El misterioso fenómeno de la acción fantasmal a distancia.

Agujeros negros entrelazados

En la ilustración vemos como un agujero de gusano conecta dos agujeros negros.

Físicos de la Universidad de Washington y de la Universidad de Stony Brook de Nueva York, creen que el fenómeno del entrelazamiento cuántico o como Albert Einstein solía llamarle “acción fantasmal a distancia”, podría estar intrínsecamente asociado a los agujeros de gusano.

Los agujeros de gusano o como formalmente se les conoce “puentes Einstein-Rosen”, son una predicción de la teoría de la relatividad, vienen a ser una especie de pliegue espacio-temporal que en muchas novelas de ciencia ficción son usados para recorrer grandes distancias más rápido que si se viajara a la velocidad de la luz.

La acción fantasmal a distancia o entrelazamiento cuántico, ocurre cuando un par o grupo de partículas se entrelazan de tal forma que el comportamiento de una, determina el comportamiento de la otra, por ejemplo, si en un par de partículas entrelazadas una cambia, lo otra también lo hace de forma simultánea y sin importar que la distancia a la que se encuentren sea de unos pocos metros ¡o de varias galaxias!.

La ciencia ha demostrado que el entrelazamiento cuántico es real, y actualmente se estudia para el desarrollo de computadoras cuánticas y en la elaboración de una especie de encriptamiento cuántico que permitiría una seguridad prácticamente inviolable en las transferencias de datos.

Recientemente, los físicos teóricos Juan Martín Maldacena del Instituto de Estudios Avanzados de Princeton y Leonard Susskind de la Universidad de Stanford, sostenían que los agujeros negros estaban relacionados con el fenómeno de entrelazamiento. Específicamente, que los agujeros de gusano están formados por un par de agujeros negros entrelazados, pero no sólo eso, sino que el fenómeno de entrelazamiento en general está relacionado con los agujeros de gusano, por lo que las partículas entrelazadas, como podrían ser dos electrones, posiblemente estén conectados por agujeros de gusano extremadamente pequeños.

Los agujeros negros se forman cuando una estrella de gran masa, llega al final de sus días convirtiéndose en una gigante roja que colapsa sobre si misma debido a la gran cantidad de fuerza gravitatoria que posee, creando una masa concentrada en un pequeño volumen, una enana blanca, si el proceso de auto-atracción gravitatoria continúa, la enana blanca termina convirtiéndose en un agujero negro, cuyo tamaño puede variar desde el  de un átomo hasta varias veces la masa del Sol. Se llaman agujeros negros porque el campo gravitatorio que poseen es tan descomunal que ni la luz puede escapar a el.

El entrelazamiento de los agujeros negros puede ocurrir de varias formas, por ejemplo, al formarse simultáneamente dos agujeros negros, éstos resultarían automáticamente entrelazados. Otra forma sería que la radiación emitida por un agujero negro sea capturada y luego colapsada en el interior de otro agujero negro, lo que daría como resultado que el agujero negro que capturó esa energía quedara entrelazado con el que suplió la energía.

El trabajo de investigación realizado por Andreas Karch profesor de física de la Universidad de Washington y Kristian Jensen de la Universidad de Stanford, y que fue publicado en la revista Physical Review Letters en el mes de noviembre, resulta interesante porque aporta una herramienta que los científicos podrán usar para desarrollar el anhelado deseo de la física de encontrar una teoría unificadora, es decir que explique todo lo que sucede en el universo, ya que actualmente para ello contamos con dos teorías incompatibles entre sí, la mecánica cuántica que sirve para explicar lo que sucede a escalas ultra diminutas y la teoría de la relatividad, que funciona únicamente para comprender los fenómenos que ocurren a mayor escala.

Fuentes:

Physical Review Letters: http://prl.aps.org

http://www.washington.edu/news/2013/12/03/spooky-action-builds-a-wormhole-between-entangled-particles/

http://www.sciencedaily.com/releases/2013/12/131203161549.htm

http://www.livescience.com/41639-quantum-entanglement-links-wormholes.html

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La teleportación se perfecciona cada vez más

Teleportación

Seguramente usted al igual que yo, alguna vez habrá fantaseado con desaparecer del sitio donde está, para aparecer automáticamente en el sitio donde debería estar, sobre todo cuando muchas publicaciones científicas nos hablan de que se han aumentado las posibilidades de realizar exitosamente la teleportación de partículas, pero ¿será factible teleportar personas en un futuro, cuánto más tendremos que esperar?  Y ¿qué otras aplicaciones podría tener?.

Para entender un poco de qué va esto de la teleportación, es necesario conocer unos cuantos detalles…

Para teleportar una partícula,  lo primero que tenemos que hacer es medir su posición,  dirección de  movimiento y  energía.  A esta información en física se le conoce como el estado de una partícula, si se desconoce su estado es imposible teleportarla. Pero resulta que si se intenta medir la posición de una partícula, se cambia su velocidad, y si se quiere saber qué tan rápido se mueve, es imposible saber su ubicación exacta.  Aunque parezca algo ilógico, la física cuántica es así y los físicos lo saben muy bien, este fenómeno es conocido como el “principio de incertidumbre de Heisenberg”, en honor a su descubridor el físico alemán Wener Heisenberg en 1927.

Y si queremos teleportar a una persona, la situación se complica aún más, ya que será necesario conocer el estado de cada una de las partículas de su cuerpo.  Y aún en el caso de que se lograra superar este obstáculo, para almacenar estos datos, se necesitarían por los menos  10 a la 22 gigabytes (un 1 seguido de 22 ceros) de espacio en disco duro.  Lo que significaría que incluso usando los discos duros con mayor capacidad de almacenaje, no podríamos evitar formar una pila de discos de una altura de ¡20 años  luz!.  Como referencia, la estrella más cercana al Sol, Proxima Centauri, se encuentra a sólo 4 años luz de distancia…

Pero no todo está perdido, en 1993 el físico americano Charles Bennett, hizo un gran descubrimiento al encontrar la forma de eludir el principio de incertidumbre de Heisenberg, y con ello sentando las bases de la teleportación cuántica.  El truco consiste en alterar de forma particular a la partícula que se va a teleportar usando un par de partículas cuánticamente entrelazadas, estas partículas están ligadas de tal forma que al medir el estado de una, se conoce también el estado de la otra.

 Entrelazamiento Cuántico

Es una propiedad predicha por Einstein, Podolsky y Rosen en  1935 y constituye fenómeno aún no comprendido del todo, tanto así que incluso Einstein solía referirse a el como acción fantasmal a distancia.

Las partículas entrelazadas no pueden definirse como partículas individuales con estados definidos, sino más bien como un sistema en donde las partículas están correlacionadas entre sí de tal forma que lo que se produce en una de ellas se refleja instantáneamente en la otra sin importar la distancia que las separa.

Las partículas se entrelazan de diferentes maneras, por ejemplo cuando provienen de una misma fuente:

  • Cuando un electrón desciende dos niveles energéticos dentro del átomo generando dos fotones entrelazados.
  • Por colisión entre un electrón y un positrón (su antipartícula, un electrón con carga positiva) lo que genera dos fotones entrelazados.

Cómo funciona la teleportación

El proceso de teleportación se vuelve cada vez más complejo con cada experimento que se realiza, sin embargo, la forma más “sencilla” de hacerlo es al producir dos fotones entrelazados cuánticamente usando un láser de zafiro,  que posteriormente son distribuidos a través de un cable de fibra óptica,  uno al emisor (Alice), otro al receptor (Bob)[1]  a fin de crear un “medio entrelazado”, que permite a Alice  y a Bob compartir la información de la polarización de esos fotones.  Alice tiene el fotón 2 y Bob tiene el fotón 3.

Luego Charlie introduce a Alice el fotón 1, con polarización desconocida (tanto para Alice como para Bob).  Alice por consiguiente realiza una medición de ese fotón.  El resultado de esta medición destruirá el sistema inicial, pero la medición que haga Alice del fotón 1 dicta como debe transformarse el fotón de Bob.

Alice envía a Bob el resultado de la medición usando el clásico canal de intercambio de fotones, cuando Bob tiene la información, realiza la transformación de su fotón según  la información dictada por la medición hecha por Alice del fotón 1, ¡y listo!, Bob tiene el fotón 3, pero en el mismo estado que el fotón 1 al introducirse al sistema, es decir, ¡una copia exacta del fotón 1!.

Alice usa la partícula entrelazada para medir el estado de la partícula que se desea teleportar, registra lo que mide y manda la información a Bob, que luego usando la información enviada por Alice, modifica el estado de la otra partícula entrelazada para recrear el estado exacto de la partícula que Alice originalmente midió.

Hasta ahora la teleportación de fotones de luz usando el método descrito anteriormente era “probalístico”, no se podía sincronizar la llegada de los fotones entrelazados con la llegada de los fotones a ser medidos, y en las raras ocasiones en que coincidían, la medición sólo funcionaba la mitad de las veces, reduciendo  el éxito de la teleportación a menos de un 1%.

Sin embargo, recientemente se ha conseguido realizar teleportaciones usando un  método “determinista”, los experimentos previos sólo entrelazaban fotón con fotón, pero  usando entrelazamientos continuos de muchos fotones con muchos otros fotones, tanto las amplitudes como las fases completas de dos campos de luz se correlacionan de forma cuántica, y al ser conectados con un tercer campo de luz al emisor, permiten transmitir cualquier estado y cualquier número de estados.

Aunque la teleportación ya no es probabilística, aún no es 100% eficiente, en los dos últimos experimentos realizados:

  • Uno entre investigadores de Japón y Alemania, se demostró que es posible teleportar fotones de luz en el espectro infrarrojo (justo por debajo de la frecuencia de la luz visible) con un éxito del 40%.
  • Y en otro experimento entre científicos de Suecia y Australia, se consiguió teleportar fotones de microondas con frecuencias entre 4 y 7 GHz con un éxito del 25%.

Lo cual no deja de ser un gran avance desde el 1% anterior, sin embargo aún queda por recorrer un largo camino hasta la construcción de un sistema cuántico de información que sea funcional.

Actualmente el record de distancia en teleportación cuántica lo consiguió un grupo de científicos de Austria, Canadá, Alemania y Noruega,  al teleportar un fotón de luz  a 143 kilómetros de distancia entre las islas de La Palma y Tenerife, España.

Usos de la teleportación

La teleportación tiene particular interés para la construcción de sistemas de información cuántica y la construcción de súper computadoras de alta velocidad que usen la mecánica cuántica como parte central de su funcionalidad.

Y en el campo de las comunicaciones facilitará las comunicaciones tanto para misiones espaciales, como las realizadas en tierra a larga distancia; además del perfeccionamiento en la seguridad que supondrá, ya que la información que Alice envía a Bob no puede usarse para recrear el estado introducido sin la otra partícula entrelazada, haciendo imposible espiar a  Alice para extraerle la información, creando así una criptografía fortalecida por la física cuántica que no se podrá romper de ninguna manera,  a menos que se  tenga la otra parte del par de partículas entrelazadas.

El problema que aún queda por resolver, es que cada vez que se desea mover información quántica de un sitio a otro, no se puede simplemente medir la información y enviarla  a otra parte porque el proceso de medición necesariamente destruye la información, así que en lugar de eso, simplemente se teleporta.

Y respecto a la teleportación de personas, el camino es aún más largo por no decir incierto, porque a parte de los inconvenientes descritos anteriormente, se suman la necesidad de crear una copia de la persona a teleportar para tener una fuente entrelazada, y la inevitable destrucción de la propia persona durante el proceso de teleportación, y como es de suponer la complejidad que esto conlleva resulta inmanejable para los conocimientos que se poseen hoy día.

Así que de momento tendremos que seguir madrugando para llegar a tiempo a nuestros trabajos.

Fuentes:

http://www.popsci.com/technology/article/2012-05/fyi-how-photon-teleportation-can-bring-us-secure-communications

http://theconversation.com/teleportation-just-got-easier-but-not-for-you-unfortunately-17060

http://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_teleportation


[1] Es muy común usar este tipo de nombres alfabetizados (Alice, Bob, Charlie) para describir el funcionamiento de los experimentos en ciencias en lugar de sólo usar las letras A, B, C, etc.