Es época de Premios Nobel (de los que ya hablamos varias veces: sobre "tokenismo" y otras controversias en nuestro podcast El Potus Cuántico, nos preguntamos si representan bien o no la tarea científica...) Este año ya se entregaron varios galardones. Uno de ellos fue para tres investigadores por sus descubrimientos en el entrelazamiento cuántico (que no tiene absolutamente nada que ver con nuestro podcast, pero si te interesa podés escucharlo igual).
Los fenómenos de la física cuántica son bastante complicados de entender para nuestros cerebros acostumbrados a lidiar con el mundo macroscópico, que si bien representa un caso particular de la física cuántica, es uno que esconde lo que pasa a escalas tan pequeñas como la de los átomos. ¿De qué se trata todo esto?
El “entrelazamiento cuántico” fue propuesto por Erwin Schrödinger, el físico más notoriamente conocido por su experimento mental del “gato en la caja”, un felino hipotético en un espacio cerrado en el que podría liberarse un veneno dependiendo del estado cuántico de un átomo. El estado del átomo es probabilístico, no lo conocemos con certeza; entonces no sabemos si se ha liberado el veneno, únicamente probabilidades asociadas a ello. Por las leyes de la física cuántica, entonces, nuestro felino está simultáneamente vivo y muerto, hasta que no abrimos la caja y nos encontramos con la (agradable o desagradable) situación. Esta fue la metáfora (un tanto truculenta) que eligió para explicar la “superposición cuántica”. Un sistema cuántico, de hecho, se encuentra simultáneamente en diferentes estados, así como nuestro gato que está vivo y muerto al mismo tiempo. Esta mezcla, o “superposición” de situaciones tiene su receta, que les físiques cuántiques saben calcular y predecir. Es decir que en algunos casos el gato está 80% muerto y 20% vivo, o que, cambiando de sistema (caja, atomo, o raza del felino) el gato está 45% muerto y 55% vivo, y otras posibles mezclas que siguen la leyes de la física cuántica.
¿Por qué no vemos esta superposición en la vida de todos los días? Por dos razones fundamentales: los sistemas que podemos observar con los cinco sentidos son casos particulares que manifiestan solamente uno de los ingredientes de la mezcla (vida o muerte del gato), y sobre todo, porque la observación (el abrir la caja y mirar el gato), no es un fenómeno físico como los demás. En física cuántica, el proceso mismo de observar afecta a nuestro gatito hipotético (es decir, el sistema cuántico que se está estudiando), de tal forma que manifestará solamente uno de sus posibles estados. Y si repetimos la observación 100 veces con 100 sistemas idénticos (100 cajas idénticas con idéntico átomo e idéntico gato adentro la caja) encontraremos estados diferentes según las probabilidades de la situación particular: 50 veces vivo y 50 veces muerto, o 20 y 80, o cualquier otra combinación. ¿Y todo esto qué tiene que ver con el entrelazamiento cuántico?
Para entenderlo, pensemos ahora en un sistema constituido por dos cajas con dos gatos y dos átomos cada una, que pueden o no liberar veneno según su estado. En este caso podemos pensar en los siguientes estados del sistema de dos cajas: dos gatos vivos, dos gatos muertos, uno vivo y el otro muerto, y al revés, que tendrán diferentes probabilidades que dependen de cómo se ensamblaron las dos cajas, los átomos que se eligieron y los felinos que se eligieron. Lo importante es que las cajas están “enlazadas”, y nos alcanzará con abrir una caja y conocer el estado de uno de los gatos para saber qué pasó con el otro. Y esto vale aunque una caja esté en la Tierra y la otra en Marte. O sea, observar un gato determina qué le pasa al otro de forma instantánea, no importa cuán distantes estén. Esto es el entrelazamiento cuántico.
El entrelazamiento cuántico despertó muchas preguntas filosóficas que llenaron a les físiques de dudas ya desde los principios del siglo pasado. El interrogante filosófico y físico detrás del entrelazamiento cuántico es su instantaneidad. Cambiar el estado de uno de los dos gatitos de forma inmediata violaría las nociones de causalidad propias de la filosofía y la física: acostumbramos a pensar que para que una cosa cause otra, tiene que existir una relación temporal (con la causa sucediendo antes de la consecuencia). Si un evento puede causar a otro de forma instantánea, ¿significa que el pasado puede coexistir con el presente? Por ese motivo la pregunta quedó rondando. ¿Cómo es posible que suceda el entrelazamiento? ¿Será acaso que hay algunas variables escondidas de mi sistema que no se tomaron en cuenta y eso crea la ilusión de que las cajas están entrelazadas? Como si por ejemplo cada gato en su caja tuviese programado desde un principio el instante aproximado de su muerte…
Dos de los tres ganadores del Nobel, John Clauser y Alain Aspect, lideraron sendos equipos que a través de experimentos contestaron esta última pregunta: no, el entrelazamiento no se debía a que hubiese variables que no conocemos que “predispusieran” a las partículas a cierto comportamiento futuro. Y el grupo de Anton Zeilinger, en Viena, tras varios experimentos a lo largo de décadas, logró "manipular" experimentalmente el entrelazamiento cuántico, es decir, cambiar el estado de una partícula afectando a la otra. Dicho de otra forma: consiguió a través del entrelazamiento cuántico enviar información (“gato vivo” o “gato muerto”) de forma inmediata, y además, a distancias muy largas.
Pero ojo: aclarado que la información cuántica se puede transmitir de forma inmediata, más rápido que la velocidad de la luz que era el límite que se suponía previamente, eso no significa que se pueda usar para transmitir cualquier información de manera instantánea. Todo el proceso de abrir la caja y observar el estado del gato (extraer información de lo que pasó con estos fenómenos “cuánticos”) toma un tiempo, por lo que no podremos transmitir y decodificar información más rápido que la velocidad de la luz.
Igualmente, hay aplicaciones interesantes de estas propiedades de los sistemas cuánticos. Una es la teleportación cuántica, que suena a fantasía de ciencia ficción hecha realidad. Pero desgraciadamente, por ahora no se encontró la forma de preservar estas propiedades para sistemas más grandes, ni tampoco cómo teleportar materia (es decir, transportar al gato, no simplemente información de su estado). Sigue siendo imposible pensar en viajar instantáneamente a una playa en la Polinesia. De hecho les fisiques utilizan la palabra “teleportacion” para diferenciarla de la teletransportacion de los cuentos de ciencia ficción. Por otro lado, se están aplicando estos principios en desarrollos concretos como la computación cuántica, de la que ya hablamos, y la criptografía cuántica, que utiliza el entrelazamiento para generar códigos criptográficos que no se pueden hackear de ninguna forma, porque cualquier intento los cambiaría. En tal caso sería claro que alguien accedió al mensaje secreto, y ese mensaje no sería más el original. Malas noticias para el hacker. No tendremos, por lo que sabemos hasta ahora, teletransportación a playas remotas, pero al menos hay argumento para una buena película de espías…
Sin llegar el espionaje ni a los viajes instantáneos, estos hallazgos siguen siendo maravillosos y un desafío a la imaginación. Según Zeilinger lo más fascinante son los interrogantes sobre la naturaleza de la realidad. ¿Cómo se conjugan estas maravillas cuánticas con el mundo como lo percibimos a diario? ¿Nos alcanza la explicación que tenemos para no romper las ideas sobre la causalidad? ¿Habrán sido nuestras concepciones sobre el tiempo heridas de muerte?
Todas esas preguntas siguen sin respuesta. Más excusa para seguir investigando los misterios de nuestro universo, desde los átomos hasta las galaxias.
