Teletransportación Cuántica: ¿es posible?

¿Soñaste alguna vez con salir del trabajo y en vez de tomarte un subte, tres bondis y un tren, meterte adentro de un aparatito, apretar un botón, y materializarte por arte de magia en el comedor de tu casa? 

Si la respuesta es no es porque probablemente ya estés trabajando en tu casa. Si por el contrario estás dispuesto a vender un riñón para poder cumplir ese sueño, te invito a sumergirte en el mundo de la teletransportación cuántica para descubrir si esto es posible o si se trata de puro humo.

Antes de abordar la teletransportación empecemos repasando un concepto explicado en la nota sobre computación cuántica: el Q-bit. Podemos pensar que un Q-bit es un bit con género no binario: puede estar en estado 0 y 1 simulataneamente. Sin embargo, el Q-bit es tímido y aún no salió del closet, entonces si uno va y le pregunta (mide) su estado obtiene como resultado o 0 o 1, una de dos, análogamente a lo que sucede con el célebre gatito de Schrödinger.

Ahora supongamos que tenemos dos Q-bits, y los creamos de forma tal que se encuentren en una superposición de los estados 00 y 11. Quiere decir que si ahora observamos el sistema, tenemos 50% de probabilidades de medir 00, 50% de medir 11, y 0% de probabilidades de medir 10 o 01, que serían los otros dos estados posibles.

Lo interesante de esto es que basta con medir el estado de uno de los dos Q-bits para conocer el resultado del otro. Si observo un solo Q-bit y obtengo 0 entonces el otro también será 0, si obtengo 1 entonces el otro también será 1. 

Este tipo de sistema se conoce como par EPR, y fue motivo de grandes controversias. El bardo llegó a su punto máximo con el propio Einstein tirando hate a la teoría cuántica con su célebre frase "Dios no juega a los dados", luego reformulada por el Indio Solari en el tema Motor Psico. Veamos cuál es el problema.

La Paradoja Spooky

A esa altura del partido (estamos hablando de mediados de la década del treinta) Einstein y su banda estaban convencidos de una sola cosa: nada puede viajar más rápido que la luz. Resulta que el experimento del par EPR contradice este postulado: Si separamos los dos Q-bits que forman el par a años luz de distancia, y luego efectuamos la observación sobre uno de ellos, automáticamente quedará determinado el valor del otro. Quiere decir que esa información "viajó" años luz instantáneamente violando el límite impuesto por la velocidad de la luz, lo que Einstein llamó acción spooky o tenebrosa.

Esta aparente contradicción se denominó paradoja EPR, por las siglas Einstein, Podolsky y Rosen, quienes publicaron un artículo atacando la teoría cuántica. Ellos planteaban que la decisión de si el sistema está en estado 00 o 11 debe estar definida antes de que se separen, solo que no podemos acceder a esa información de manera directa.

¿Cómo se resuelve esta historia? Años después del planteo de la paradoja, se realizaron una serie de experimentos que determinaron por unanimidad que el gran ganador del pleito es… -suenan redoblantes- la teoría cuántica. Los científicos que diseñaron estos experimentos obtuvieron el premio Nobel de física en el año 2022, pero Einstein, Podolsky y Rosen ya no estaban ahí para saber la verdad.

La paradoja se resuelve así: si bien es cierto que hay un efecto que viaja instantáneamente de un Q-bit al otro, es decir, más rápido que la luz, un observador que se encuentre junto al segundo Q-bit no percibirá ningún cambio cuando el primer Q-bit sea descubierto, y salvo que alguien le envíe el resultado (el cual se comunicará como máximo a la velocidad de la luz), el valor de su Q-bit sigue siendo una incógnita. Entonces el principio de que nada puede viajar más rápido que la luz debería reemplazarse por ninguna información viaja más rápido que la luz.

Una historia de amor

Al popularizarse el fenómeno de los pares EPR, no tardó en aparecer el romántico que asoció el hecho de que las partículas puedan "sentirse" aunque se encuentren muy lejos, como un vínculo amoroso. Es por eso que la ecuación de Dirac (que describe el proceso de formación de un tipo de pares EPR) fue bautizada como la ecuación del amor. De hecho circulan por internet varias fotos de gente (sí, extremadamente ñoña) con la ecuación tatuada.

Teletransportación Cuántica

Pasemos ahora a explicar cómo puede utilizarse  un par EPR para efectuar una teletransportación cuántica. Para esto solicitaremos la ayuda de nuestros amigos Alicia y Roberto. Aplausos en la sala.

Supongamos que Alicia quiere teletransportar un Q-bit a Roberto, con el resultado del partido de Boca. 

-Primero se genera un par EPR, es decir dos Q-bits (llamémoslos partículas) entrelazados en estado 00 + 11. Alicia se quedará con una de las partículas y Roberto con la otra. Ahora ambos pueden separarse a una distancia arbitrariamente lejana. Digamos que se mudan a planetas diferentes porque la crisis inmobiliaria hace imposible pagar un alquiler en la Tierra.

-Luego Alicia hará interactuar su partícula del par EPR con el Q-bit que dice si ganó Boca, de manera tal de generar un entrelazamiento entre ambos. Como la partícula EPR de Roberto está intrínsecamente ligada a la de Alicia, también sentirá el efecto de la interacción con el Q-bit, aunque él no pueda detectarlo.

-Luego Alicia efectuará una operación de medición sobre su partícula EPR y su Q-bit simultáneamente, al hacer esto, el Q-bit colapsa a un estado aleatorio y por lo tanto Alicia pierde la información almacenada en él. 

-Por último, para que Roberto pueda reconstruir unívocamente el Q-bit en su partícula EPR, necesita conocer el resultado de la medición de Alicia, por lo que ésta debe enviarle el dato mediante un canal de comunicación clásico, por ejemplo, internet.

Al final del experimento, Roberto va a efectuar una operación sobre el Q-bit de acuerdo con el resultado que recibió, y de esta manera reconstruirá un Q-bit idéntico al original, mientras que Alicia se quedará con un sistema que perdió toda información sobre el mismo. Teletransportación completada. Para transportar un mayor número de Q-bits basta con generar más pares EPR en el primer paso y repetir el proceso varias veces. 

Algunas observaciones:

-Como vemos, el Q-bit no se desplazó físicamente desde el sitio de Alicia hacia el de Roberto, pero no fue necesario: basta con haber generado un sistema idéntico en el sitio de Roberto para considerar que hubo teletransportación.

-Si bien la partícula de Roberto se modifica "instantáneamente" cuando Alicia realiza la medición, éste necesita conocer el resultado de la misma para poder reconstruir el Q-bit. Este dato (un bit, 0 o 1) se transporta clásicamente, por lo que no puede viajar más rápido que la luz. Entonces, el principio de que ninguna información puede viajar más rápido que la luz se mantiene. 

Uno podría decir entonces: ¿para qué sirvió todo esto si de todas formas tuve que enviar un bit de manera clásica? El asunto es que un sistema de Q-bits contiene mucha más información que su contraparte en bits, por lo que el único bit que viaja de forma clásica representa una cantidad de información mínima en comparación a lo que se transfirió.

-Alicia pierde todo rastro del Q-bit al realizar la medición, por lo que también se cumple el teorema de no-clonado, que en pocas palabras establece que la física cuántica prohíbe el copy-paste. Lo siento: el rincón del vago cuántico no va a existir.

El camino hacia Internet Cuántico

¡Ya díganme de una vez si voy a poder teletransportarme a casa después de laburar! 

La respuesta corta es no. O, al menos, estamos muy lejos de llegar a eso. Sin embargo, hay varios desarrollos tecnológicos basados en la teletransportación cuántica que podrían tener un impacto significativo en los próximos años.

Un aspecto clave que no mencionamos en la sección anterior, es que la teletransportación cuántica es completamente invulnerable a espías. Incluso si alguien intercepta la comunicación de Alicia que contenía el resultado de la medición, esta información no es suficiente para reconstruir el Q-bit. Es por eso que la comunicación cuántica puede ser la base de un nuevo tipo de criptografía mucho más segura que la actual, que se ve amenazada por el desarrollo de la computación cuántica. 

Es esta aplicación tecnológica concreta lo que incentiva las inversiones millonarias y los esfuerzos de grandes grupos de investigación por mejorar la técnica de teletransportación.

Antes de enumerar algunos de los últimos avances, vale la pena mencionar de qué están hechos los dichosos Q-bits. La respuesta es que hay varios sistemas que pueden ser usados como Q-bits, y se elegirá uno u otro dependiendo de la aplicación para la que se usen. En el caso de las computadoras cuánticas, los Q-bits normalmente están hechos de un tipo de superconductores llamados junturas de Josephson. En cambio, para la teletransportación cuántica, se necesitan Q-bits que puedan viajar lo más rápido posible, por lo que la opción más adecuada es simplemente: la luz. Sí, la luz puede almacenar información cuántica ¿Cómo? Mediante la polarización, que es la dirección en la que oscila el campo electromagnético que forma un fotón (partícula responsable de transmitir la luz). Entonces este bit representa un 0 o un 1 de acuerdo a si la polarización del fotón es en dirección vertical u horizontal.

Ahora que sabemos de qué se trata, repasemos algunos hitos: 

En 2004, científicos austriacos realizaron una teletransportación a través del río Danubio.

También en 2004, un grupo del mismo país teletransportó el estado de un átomo de Calcio. Quiere decir que la teletransportación no está limitada a fotones.

En 2022, un grupo chino logró la teletransportación de fotones a 1200 Km de distancia a través de un satélite.

En 2024, un grupo de científicos de la universidad de Northwestern, logró teletransportar fotones a través de un cable de fibra óptica. 

En 2025, China alcanza el mayor récord de distancia de una comunicación cuántica: 12.900 Km entre Jinan (China) y la Universidad de Stellenbosch en Sudáfrica.

Estos últimos desarrollos pavimentan el camino para el desarrollo del Internet Cuántico, que no es ni más ni menos que una red de computadoras que transfieren información a través de canales cuánticos. Nuevamente, esto representaría un gran salto en la seguridad informática por parte de los usuarios que accedan a esta red. En este sentido hay varias iniciativas: además de los esfuerzos chinos por liderar en este campo, se destaca la iniciativa europea Quantum Internet Alliance y la National Quantum Initiative de Estados Unidos, ambas destinadas a securizar los sistemas informáticos nacionales contra posibles ciberataques. Inclusive hay gente que ya está pensando en Quantum Blockchain, para blindar sistemas cripto del posible ataque por parte de ordenadores cuánticos. Todo esto representa un riesgo para los países en vías de desarrollo, que pueden resultar vulnerables en caso de quedarse atrás en la implementación de estas tecnologías. Resulta entonces clave refinanciar proyectos de desarrollo como los impulsados por Juan Pablo Paz, pionero de la computación cuántica en Argentina, en su paso por el Ministerio de Ciencia y Tecnología, que actualmente se encuentran paralizados.

Como habrás notado si llegaste hasta acá, está claro que la teletransportación cuántica es mucho menos espectacular que lo que imaginabas. No hay Dr. Spock viajando por las estrellas, ni vas a poder enviar a tu perro por e-mail, pero sí hay aplicaciones concretas que de a poco van a estar cada vez más presentes en nuestra vida cotidiana, y llegar a tener una idea del principio de funcionamiento de estas nuevas tecnologías no deja de ser fascinante. Como en todo, a veces los científicos deben recurrir a un poco de vocabulario marketinero para atraer nuevos públicos hacia el misterioso mundo de la física. Personalmente creo que, en comparación con los gurús de autoayuda que promocionan terapias desopilantes basadas en "física cuántica", el pecado es perdonable.