Teletransporte y cuántico! Dos términos que por sí mismos ya evocan muchísimo a la hora de divulgar ciencia y encima juntos. ¿Podemos pensar en una operación de marketing más astuta en el mundo de la física? En 1993, los investigadores Charles H. Bennett, Gilles Brassard, Claude Crépeau, Richard Jozsa, Asher Peres y William K. Wootters publicaron en Physical Review Letters una de las revistas más prestigiosas de física, el artículo con título «Teleporting an unknown quantum state via dual classical and Einstein-Podolsky-Rosen channels». En él introducían el protocolo de teletransporte cuántico, que permite enviar información almacenada en partículas cuánticas entre dos observadores, Alice y Bob, distantes. Más allá del acierto que tuvieron en escoger su nombre (y teniendo en cuenta que, en la ciencia de hoy en día, como en la vida misma, un poco de estrategia de venta siempre ayuda), se trata de un protocolo fundamental para la comprensión de la mecánica y la información cuántica y que al mismo tiempo tiene una gran potencialidad desde el punto de vista aplicado. Veremos a continuación por qué, pero antes recordemos lo que el teletransporte evoca en gran parte de la población.
Si nos encontramos con amigos nuestros y mencionamos el término teletransporte, muchos pensarán en seguida en películas de ciencia y ficción y, en particular, en Star Trek. En estas películas, los personajes, como el Dr. Spock, podían desplazarse de un lugar a otro, por ejemplo, de un planeta remoto a la nave Enterprise, sin usar medios de transporte físico y de manera instantánea. El hecho de que este proceso tuviera lugar de manera instantánea implica que está en plena contradicción con las leyes de la física actuales, como la teoría de la relatividad especial de Einstein. Podemos ir más allá y afirmar que es un proceso que nunca será posible, ya que una abrumadora mayoría de los físicos piensa que nunca habrá transmisión de información instantánea. Es una lástima, pero no parece probable que tengamos algún día una máquina tan potente. La mecánica cuántica es a menudo antiintuitiva, pero está en armonía con la relatividad especial en el sentido de que no permite el envío de información de manera instantánea. Por lo tanto, el teletransporte cuántico no puede ser lo mismo que el que vemos en las películas de ciencia ficción. ¿De qué se trata entonces y por qué sus inventores acuñaron este término, sin que nadie se llevara las manos a la cabeza?
Teoría de la información cuántica
Consideremos dos observadores distantes, que se suelen llamar Alice y Bob. Alice tiene una partícula cuántica, en un estado cuántico. Para simplificar la explicación y hacerla un poco más gráfica, pensemos en el sistema cuántico más sencillo, una partícula de espín ½. Más allá de tecnicismos, podemos pensar en una partícula de espín ½ como una flecha apuntando en una dirección en nuestro espacio de tres dimensiones: hacia arriba o hacia abajo, o hacia la izquierda, o con un ángulo de 45 grados respecto a la vertical, todos son estados posibles de la partícula cuántica. Alice tiene por tanto una de estas partículas, es decir, una de estas flechas apuntando en una dirección arbitraria, que además ella desconoce. Aparte de esta partícula, Alice tiene una segunda que se encuentra entrelazada con una partícula en posesión de Bob.
Sin entrar en detalles, las partículas entrelazadas presentan unas correlaciones muy fuertes entre ellas que no tienen análogo clásico. Paremos un momento y, dado que el protocolo de teletransporte fue introducido en un contexto de teoría de la información cuántica, introduzcamos el lenguaje que se usa en esta teoría para luego seguir adelante con la explicación.
La teoría de la información cuántica se preocupa por entender cómo procesar y transmitir información codificada en sistemas cuánticos. Así como el bit es la unidad básica de información, el bit cuántico, o qubit por quantum bit en inglés, es la unidad básica de información cuántica. El bit cuántico puede tomar los valores binarios 0 y 1 como su análogo clsico, que se suelen denotar por |0>y |1> usando la notación estándar de la mecánica cuántica, pero, además, siendo de naturaleza cuántica, puede estar en cualquier superposición, cuántica, de los dos. Una partícula de espín ½ es un ejemplo de bit cuántico: cuando apunta hacia arriba representa el estado |0>, hacia abajo el |1>, y el resto de direcciones intermedias de la flecha representan las posibles superposiciones del bit cuántico. Lo que sabemos es que usando estos bits cuánticos podemos realizar tareas que son imposibles con bits clásicos, como construir ordenadores mucho más potentes o nuevos esquemas de encriptación de información. Tras este pequeño paréntesis, volvamos al escenario inicial del teletransporte, ya que nuestro objetivo no es explicar el campo de la información cuántica. En su lenguaje, Alice tiene un qubit arbitrario, cuyo estado, o dirección, desconoce. Además, comparte con Bob un estado entrelazado de dos qubits. El objetivo del protocolo es que el estado del qubit pase de Alice a Bob usando el entrelazamiento. Veamos cómo.
Alice toma el qubit a teletransportar junto a su qubit del estado entrelazado que comparte con Bob, y realiza una medida sobre los dos. Esta medida, al ser sobre dos qubits, da cuatro posibles resultados. Alice comunica el resultado de la medida a Bob, por ejemplo, por teléfono. Dos bits, que pueden ser clásicos, son suficientes para transmitir cuál ha sido el resultado de la medida de entre los cuatro posibles. Ahora Bob, tras recibir esta información, realiza una operación sobre su único qubit y el estado de este pasa a ser el que tenía el qubit de Alice. El qubit de Bob apunta en la misma dirección que lo hacía el de Alice. ¡El estado del qubit se ha teletransportado de Alice a Bob!
Para entender bien las implicaciones de lo que ha pasado, mencionaremos que:
1.El teletransporte transmite el estado de la partícula, no la partícula física. Para representarlo con un análogo clásico, y teniendo en cuenta que este tipo de analogías, como también pasa con el famosísimo gato de Schrödinger, son siempre difíciles de asimilar, se tiene un maniquí de las mismas dimensiones del Dr. Spock en el Enterprise y tras el teletransporte, el estado de Spock pasa de su cuerpo en el planeta remoto al maniquí en la nave.
2.El protocolo no es instantáneo y en particular requiere que Alice envíe a Bob los dos bits con el resultado de esta medida. Sin estos dos bits, Bob no tiene ninguna información sobre el qubit de Alice. Por supuesto, estos bits al ser enviados no pueden ir a una velocidad mayor que la de la luz, por lo que el protocolo es totalmente compatible con la relatividad especial.
3.Se podría pensar que los dos bits llevan información sobre el qubit de Alice, pero eso no es así. Recordemos que Alice no necesita conocer el estado de su qubit para llevar a cabo de manera exitosa el protocolo. Además, los dos bits resultantes de su medida son independientes del estado del qubit a teletransportar.
Esta última propiedad explica el término de teletransporte cuántico: si lo único que Alice envía a Bob son los dos bits codificando el resultado de esta medida, pero estos dos bits no dependen del estado, ¿por dónde viaja entonces la información del qubit de Alice a Bob? Entendemos que es gracias a las correlaciones de las partículas entrelazadas, y de hecho es una de las demostraciones más potentes de sus propiedades sin análogo clásico, pero no podemos identificar cómo y dónde se produce este envío de información cuántica de un lugar a otro. Podemos afirmar que se ha teletransportado. El artículo de teletransporte está muy bien escrito y entenderlo no requiere un conocimiento exhaustivo del formalismo de la mecánica cuántica. Animo a cualquier lector familiarizado con ese formalismo a leerlo. Pero a pesar de su sencillez formal, identifica uno de los fenómenos más fascinantes que permiten las partículas entrelazadas. No es por tanto una sorpresa que sea un artículo con un gran impacto, reflejado, por ejemplo, en su elevado número de citas.
A partir del resultado teórico, se empezó una carrera entre los distintos grupos experimentales en el mundo por ser el primero en demostrarlo. En 1997, los grupos de Francesco de Martini, en Roma, y de Anton Zeilinger, en Viena, premio Nobel de física en 2022, llevaron a cabo experimentos independientes donde el estado de un fotón se teletransportaba usando otros dos fotones en un estado entrelazado. A partir de estos experimentos iniciales, las demonstraciones del teletransporte han ido avanzando y mejorando: se ha demostrado el teletransporte entre partículas con masa, como iones o átomos, también se ha teletransportado de manera híbrida, de fotones a partículas con masa, y fuera del laboratorio, como en una red de fibra óptica, entre dos islas en las Canarias o a través de un satélite. Se puede afirmar que es un protocolo que ha alcanzado un considerable grado de madurez experimental.
¿Sirve o servirá el teletransporte para algo?
La respuesta es afirmativa. Debemos recordar para lo que sigue que el teletransporte es una manera de enviar bits cuánticos entre dos usuarios: el qubit está inicialmente con Alice y acaba con Bob. Uno de los objetivos principales de las tecnologías de la información cuántica es conseguir la internet cuántica, donde distintos ordenadores cuánticos repartidos en el mundo sean capaces de intercambiar entre ellos bits cuánticos. Explicado de manera rápida, no es más que conseguir el análogo cuántico de lo que es hoy en día internet: una red de ordenadores interconectados. Uno de los problemas a la hora de conseguir la internet cuántica es que es muy complicado enviar bits cuánticos a grandes distancias. Si miramos la internet actual, no cuántica, el elemento clave que permite enviar información es que los bits clásicos se pueden copiar, o amplificar.
Si dos usuarios se quieren enviar información y la distancia entre ellos es muy grande, se coloca una serie de repetidores en el trayecto que detectan la información, la recuperan y la envían al siguiente repetidor para que de esta manera llegue al usuario final. Esta idea no es trasladable al caso cuántico porque los bits cuánticos no se pueden copiar. Sin embargo, sí que se puede conseguir realizar repetidores de entrelazamiento, o repetidores cuánticos, que permiten establecer un estado entrelazado entre dos observadores lejanos a través del intercambio de entrelazamiento, o entanglement swapping. Una vez este entrelazamiento se ha establecido entre ellos, se consume para llevar a cabo la transmisión de bits cuánticos por medio de teletransporte, consiguiendo comunicación cuántica a grandes distancias.
Tras este recorrido, podemos entender por qué las expectativas que el término teletransporte cuántico evoca son más que justificadas: no es solo uno de los fenómenos más fascinantes de la mecánica cuántica, sino además un ingrediente crucial para el diseño de la futura internet cuántica.
