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| Anton Zeilinger |
Este año el Premio Nobel de
física ha sido concedido a John Clauser, Alain Aspect y Anton Zeilinger, por su
trabajo pionero en comunicación cuántica.
- Clauser (con Stuart Freedman, que falleció en 2012) realizó en 1972 el
primer experimento con fotones entrelazados que comprobó que el
sentido de la desigualdad
de Bell favorece la interpretación de Copenhague de la mecánica
cuántica, respondiendo así a la paradoja EPR
(siglas de Einstein-Podolsky-Rosen), que intentaba contradecir dicha
interpretación. Este experimento no fue completo, por lo que después se
han realizado otros, en condiciones cada vez más estrictas.
- Aspect realizó el segundo experimento utilizando componentes más rápidas, lo que completó el experimento anterior y confirmó de nuevo que la desigualdad de Bell
favorece la interpretación de Copenhague.
- Zeilinger ha trabajado sobre todo en teleportación
cuántica, que es de lo que vamos a hablar en este artículo.
- Inicialmente tenemos tres fotones: A, B y C. A y C tienen sus estados
cuánticos entrelazados entre sí, lo que quiere decir que comparten una
propiedad cuántica, ya sea porque esa propiedad tiene el mismo valor en los
dos fotones, o porque uno tiene el valor opuesto al del otro, aunque en
principio no sabemos cuál tiene cuál. En cambio, el estado cuántico de B no tiene nada que ver con el de A y C. Estos estados cuánticos enredados
se llaman estados de Bell,
porque son los que se utilizan para demostrar el signo de la desigualdad de
Bell. Por otra parte, un par de fotones con sus estados cuánticos
enlazados constituye un qubit de información
cuántica. (Véase este
artículo del blog).
- La segunda parte del procedimiento consiste en establecer un canal cuántico entre los fotones A y B.
Por los canales cuánticos se puede transmitir información cuántica. En el
experimento que estamos detallando, lo que se hace es intercambiar los
estados cuánticos de los fotones conectados por el canal cuántico. Al
final de esta fase del proceso, B tiene el estado cuántico que antes tenía A, mientras A ha pasado a tener el estado cuántico que antes tenía B.
- Como el estado cuántico de A estaba al principio entrelazado con el estado cuántico de C, al final del proceso es el estado cuántico de B el que está entrelazado con el de C. Dicho de otro modo, al principio el estado de C estaba entrelazado con el de A; al final está entrelazado con el de B, sin que B haya hecho nada. Se ha producido, por tanto, una teleportación de un qubit desde la posición de A a la posición de B.
Zeilinger y su equipo han
realizado los siguientes experimentos:
- En 1998 intercambiaron los estados cuánticos de dos fotones separados
por un metro de distancia.
- En 2004 lo hicieron entre dos fotones que estaban a uno y otro lado
del Danubio, separados por 600 metros.
- En 2012 la teleportación se llevó a cabo entre dos fotones situados en
las Islas Canarias de La Palma y Tenerife, a 143 kilómetros de distancia.
- En 2017 un equipo chino utilizó un procedimiento parecido para
intercambiar los estados de dos fotones, uno situado en tierra, el otro en
un satélite en el espacio, con lo que batieron el récord de teleportación
de información cuántica a distancia.
En cualquier caso, no está de más
recordar una y otra vez que en estos experimentos no se teleporta materia, sino información expresada en
forma de enredamiento cuántico.
También es interesante notar que
Zeilinger se declara creyente. Lo hizo, por ejemplo, en esta
entrevista que le hicieron en 2012 en el periódico La Vanguardia.
Hilo Temático sobre Física de Partículas: Anterior Siguiente
Manuel Alfonseca
Dedicado a
Gonzalo Génova, que me sugirió este artículo
Hola Manuel,
ResponderEliminarHace un mes ya planteé una cuestión parecida en el intercambio que tuvimos en The Conversation, y sigo sin entenderlo bien.
Según la descripción que das del experimento, el intercambio de los estados cuánticos de A y B es a voluntad de los experimentadores (por decirlo así, "cuando pulsan un botón").
Pero para que haya verdadera teleportación (transmisión de información) hace falta algo más, y es que sea posible también definir a voluntad el estado de B. De esa manera la comunicación tendría lugar así:
- A y C están entrelazados, y situados a gran distancia.
- El experimentador determina a voluntad el estado de B.
- El experimentador determina a voluntad el momento en que se produce el intercambio de estados entre A y B a través del canal cuántico.
- Automáticamente se hace conocido para el experimentador el estado de C, ya que estaba entrelazado con A.
- Y es más, el estado de C ha quedado igualmente forzado, luego los observadores de C han podido recibir la información de los que están manipulando a B.
Mi pregunta: ¿realmente es posible manipular el estado de B para lograr esta teleportación?
Gracias.
No, Gonzalo, el escenario que planteas no es correcto, pues no corresponde al experimento de Zeilinger. En este experimento no hay ningún colapso cuántico, y al final el experimentador sabe sobre los estados de los fotones lo mismo que al principio. Lo que ocurre es que dos fotones han intercambiado su estado cuántico. Si uno estaba colapsado al principio, el otro estará colapsado al final. Si uno estaba enlazado con un tercero, el otro estará enlazado con él al final. Con el intercambio no aprendemos nada sobre los estados cuánticos de todos los fotones que intervienen en el experimento.
EliminarEn resumen: la situación es esta:
- Al principio A y C están entrelazados; B puede estar colapsado, o entrelazado con una cuarta partícula D.
- Después de la teleportación cuántica, By C están entrelazados. A estará colapsado (si B lo estaba al principio) o entrelazado con D (si B lo estaba al principio).
En cualquier caso, la teleportación no provoca ningún colapso cuántico.
En definitiva, hay teleportación de estados, pero no hay transmisión de información, porque los experimentadores no pueden forzar a voluntad los estados de ninguna partícula.
EliminarSí hay transmisión de información, porque un qubit es información, y un qubit es un par de estados entrelazados. Lo que se teleporta es el qubit. Con esa información se pueden realizar operaciones cuánticas que al final, cuando se haga colapsar el emparejamiento cuántico, nos proporcionará información. Y esa información habrá sido teleportada al intercambiar los estados cuánticos de los dos fotones.
EliminarQuiero decir que no puedo enviar el mensaje que yo quiero. Se transmite información, estados de la materia, pero no la información que yo quiero.
ResponderEliminarCierto. Lo que se transmiten son qubits, o sea, información potencial que no se convertirá en información concreta hasta que se opere con ella y se la haga colapsar.
EliminarUna explicación adicional: los fotones con los que se trabaja son "fotones de Bell". En ciertas condiciones, es posible conseguir que una partícula emita dos fotones cuyo plano de polarización es idéntico, aunque no sepamos cuál es hasta que no lo midamos. Lo único que sabemos al principio es que los dos fotones están polarizados en el mismo plano. Por lo tanto, están entrelazados.
ResponderEliminarLo que se hace en los experimentos de Zeilinger es lo siguiente:
a) Se aplican operadores cuánticos al estado del fotón A (que está entrelazado con C) hasta convertirlo en un par de bits clásicos.
b) Los dos bits clásicos se envían al punto donde está B por un canal clásico (por ejemplo, modulando una onda radioeléctrica) a la velocidad de la luz.
c) Recibidos los dos bits clásicos, se utilizan para realizar las operaciones cuánticas inversas sobre el estado del fotón B. Al final, el estado de B es el que tenía inicialmente A. O sea, su polarización es la misma que la de C, aunque seguimos sin saber cuál es.
En eso consiste la teleportación cuántica.
Es totalmente falso que haya efectos sin causa, como afirma este científico en esa entrevista en La Vanguardia, mostrando así su ignorancia filosófica. Consideremos la desintegración radioactiva, que suele ser vista como indeterminista y que, por ende, es utilizada habitualmente para poner en cuestión el principio de causalidad. En particular, veamos este ejemplo del filósofo de la ciencia Phil Dowe:
ResponderEliminar'Supón que tenemos un átomo inestable, por ejemplo Pb 210. El Pb210 es el tipo de cosa que, dada su forma o naturaleza, es tal que hay una probabilidad x de que se desintegre en el siguiente minuto. La desintegración no es determinista, pero no implica que sea ininteligible. Se fundamenta en lo que es ser Pb 210 en contraposición a cualquier otra cosa. Esto es lo que la filosofía aristotélica llamó la causa formal de una cosa. Y más relevante para nosotros, existe también una causa eficiente más profunda que mantiene al átomo Pb210 en la existencia aquí y ahora. Que algo existe aquí y ahora como átomo Pb 210, con su tendencia no-determinista a desintegrarse, o no existir en absoluto, presupone ello mismo la actualización de una potencia. Y esa actualización tiene que tener una causa en algo que ya sea actual'.
Así, apelar al carácter indeterminista de la desintegración radioactiva de ningún modo elimina la causalidad que requiere un actualizador puramente actual. Sencillamente ejemplifica que algunas situaciones causales son más complejas que otras. Dowe señala aún otro punto que refuerza la conclusión de que ejemplos como los del Pb210 lo único que muestran es que no toda causalidad es determinista, pero no que haya causalidad en absoluto de la desintegración radioactiva.
La desintegración radiactiva de un átomo concreto no es predecible, porque no conocemos el estado cuántico de todas las partículas que componen su núcleo. Con una teoría de variables ocultas podríamos decir que si conociéramos dichas variables (que no conocemos y quizá no podemos conocer) podríamos predecir qué átomo se va a desintegrar y cuál no. El problema es que algunos de los estados cuánticos de las partículas del núcleo podrían estar en estados superpuestos con los de otras. El teorema de Bell y su comprobación experimental demuestra que no es posible una interpretación de la mecánica cuántica basada en variables ocultas. Luego la aleatoriedad de la descomposición de un átomo radiactivo sería irreducible.
EliminarDe todas formas, también se puede negar que dicha descomposición sea un suceso sin causa, porque la causa es el conjunto de las leyes del universo. Lo cual, a su vez, es filosóficamente insostenible, porque las leyes del universo no pueden ser causa de nada.
En fin, que el problema es complejo.
Manuel, gracias por tu artículo. Me despierta una pregunta, que te paso rogándote perdones mi ignorancia, y es que parecería que todo este desarrollo en el conocimiento de la física cuántica como que, de manera muy incipiente, abriese una puerta a dar una base científica a fenómenos como el de telepatía, experimentados por ejemplo entre madre e hijo incluso a grandes distancias entre ellos, que dispondrían ambos de información en un cierto número de fotones existentes en sus respectivos cuerpos, y puestos en comunicación a través de algún canal vital necesariamente existente, aunque ignoramos su naturaleza.
ResponderEliminarNo, Jordi, la mecánica cuántica y la teleportación cuántica no suponen transmisión instantánea de información a distancia. Que nosotros sepamos, no existen esos canales que dices. Fíjate en que, en los experimentos que he detallado en el artículo, se utiliza un canal clásico para enviar la información. O sea, se envían bits normales (no qubits) mediante ondas electromagnéticas moduladas.
EliminarLuego tampoco implica que se pueda transmitir información a mayor velocidad que la de la luz, ¿no?
ResponderEliminarCierto. No se puede transmitir información a velocidad mayor que la de la luz. Lo conté en este artículo: Velocidades hiperlumínicas en la vida real
EliminarPublimetro
ResponderEliminarEuropa Press
Un equipo de las universidades de Cambridge, Trento y Harvard afirma que hay una señal clara e inequívoca en el cosmos que podría eliminar la inflación como posibilidad. Su artículo, publicado en The Astrophysical Journal Letters, argumenta que esta señal, conocida como fondo de gravitón cósmico (CGB, por sus siglas en inglés), puede detectarse de manera factible, aunque será un gran desafío técnico y científico.
“La inflación se teorizó para explicar varios desafíos de ajuste del llamado modelo Big Bang caliente”, dijo en un comunicado el primer autor del artículo, el doctor Sunny Vagnozzi, del Instituto Kavli de Cosmología de Cambridge, y que ahora trabaja en la Universidad de Trento. “También explica el origen de la estructura en nuestro Universo como resultado de las fluctuaciones cuánticas”.
“Cuando se anunciaron los resultados del satélite Planck, se presentaron como una confirmación de la inflación cósmica”, dijo el profesor Avi Loeb de la Universidad de Harvard, coautor de Vagnozzi en el artículo actual. “Sin embargo, algunos de nosotros argumentamos que los resultados podrían estar mostrando todo lo contrario”.
Junto con Anna Ijjas y Paul Steinhardt, Loeb fue uno de los que argumentó que los resultados de Planck mostraban que la inflación planteaba más enigmas de los que resolvía, y que era hora de considerar nuevas ideas sobre los comienzos del universo, que, por ejemplo puede haber comenzado no con un estallido sino con un rebote de un cosmos que se contraía previamente.
La teletransportación cuántica es algo que ya se puede hacer de manera rutinaria en ordenadores cuánticos actuales. Por ejemplo, en el entorno IBM Quantum está disponible un programa que realiza la teletransportación en: "https://quantum-computing.ibm.com/lab/docs/iql/manage/systems/dynamic-circuits/Teleportation#quantum-teleportation". (Se puede acceder mediante una cuenta gratuita) Esencialmente lo que se hace es entrelazar dos qubits y crear un par de Bell. Si se mide el valor de uno de los qubits (por tanto se destruye) y se envía el resultado (cero o uno) como un bit clásico. Es posible reconstruir el estado cuántico del primer qubit en el otro realizando una operación cuántica dependiente del valor recibido. Esto está de acuerdo con la teoría que indica que un estado cuántico no se puede duplicar, ya que se destruye el primer qubit antes de que se reconstruya su estado en el segundo. El entrelazamiento "funciona" con los qubits separados una distancia arbitraria (como comenta Manuel, desde la superficie de la Tierra y un Satélite)
ResponderEliminarHasta aquí, todo es física. Ahora empieza la filosofía. Puesto que un estado cuántico no se puede duplicar, se puede considerar que es la identidad (la esencia) de una partícula (fotón, electrón, etc.) y que es lo que la hace única en el Universo. La operación descrita hace desaparecer un estado cuántico (único) y lo hace aparecer en otro sitio. Si la partícula es el estado cuántico, entonces éste ha desaparecido de un lugar concreto y ha reaparecido en otro; la conclusión es que la partícula ha viajado de un sitio a otro, por eso se habla de teletransportación. Puesto que es necesario enviar un bit clásico entre las dos localizaciones, la posible transmisión de información no es instantánea, lo que se puede considerar es que una vez recibido el mencionado bit, la partícula viaja instantáneamente de un lugar a otro. Se cumple así el postulado de la Teoría de la Relatividad de que no se puede transmitir información a mayor velocidad que la de la luz. Que esto se pueda generalizar a sistemas más complejos es algo que no está ni esbozado en teoría, por lo que la teletransportación de objetos macroscópicos está de momento, muy lejos.
Luis