Teleportación cuántica: viaje al futuro de la tecnología

Traslada información al instante. Sirve para crear redes de comunicación indescifrables y ordenadores cuánticos

Aunque parezca ciencia ficción, la tecnología cuántica ya se utiliza de forma habitual para crear comunicaciones seguras - 

El mundo de la Mecánica Cuántica, la parte de la física que estudia cómo la luz y la materia se comportan en las escalas más pequeñas, no puede ser más desconcertante. Está repleto de realidades familiares para los científicos pero «imposibles» para el resto de los mortales. Una de ellas es lo que Einstein llamó la «fantasmagórica reacción a distancia», un fenómeno que le permite a los fotones «comunicarse» entre sí al instante, sin importar a qué distancia estén.

Este inquietante comportamiento llevó a algunos a pensar que era posible transportar personas y objetos a distancia, sin necesidad de desplazarlos, usando el llamado teletransporte. Pero el mecanismo que permite a lostripulantes del Enterprise, en «Star Trek», desvanecerse en la nave y materializarse en la superficie de un planeta al instante, pertenece hoy al campo de la ciencia ficción. Ni la teoría ni ningún experimento actual es capaz de acercarse a una tecnología que pueda convertir la materia, y no digamos ya un ser vivo tan complejo como Míster Spock, en una señal que luego pueda ser transformada en materia en otra localización.

Sin embargo, el teletransporte de información no es ciencia ficción. Es una realidad conocida desde 1993, y hoy en día ya hay empresas que lo utilizan para crear redes de comunicación en teoría indescifrables. También hay científicos que lo estudian para crear los ordenadores cuánticos, los computadores que en cuestión de años multiplicarán las capacidades de los superordenadores más potentes hoy en día. Y no solo eso, el pasado 16 de agosto China dio un gran salto en esta tecnología tras lanzar el primer satélite cuántico al espacio. Desde allí arriba, pondrán a prueba el fenómeno del teletransporte entre el espacio y la Tierra, y tratarán de asentar las bases para crear una red global de comunicaciones cuánticas. Todo esto explica en parte por qué la Unión Europea lanzará en 2018 un proyecto «flagship» financiado con 1.000 millones de euros para potenciar las tecnologías cuánticas.

Lanzamiento del primer satélite cuántico, desde China, el pasado 16 de agosto- Xinhua/Jin Liwang

«El satélite cuántico chino tiene el potencial de demostrar que esa tecnología puede aplicarse a escala global», ha explicado Félix Bussières, experto en tecnología cuántica de la Universidad de Génova, Suiza. «Si lo consiguen, creo que causarían un gran impacto científico y tecnológico: en el futuro, ayudarían a crear una red global de comunicación totalmente segura e indescifrable». Un nuevo internet a prueba de «hackers».

La nueva red

Al menos ese es el objetivo de la misión QUESS, que en dos años tratará de crear una red a prueba de intrusos con un satélite y varias bases en tierra capaces de compartir información cuántica, valiéndose incluso del teletransporte. La gran ventaja de esta comunicación, basada en la llamada criptografía cuántica, y que ya funciona en tierra en cables de fibra óptica a través de los que circulan fotones, es que cualquier intento de interceptar la información no solo es detectado, sino que es inútil: es totalmente imposible entender un mensaje cuántico sin tener una clave para leer los datos.

Tal como ha explicado Juan José García Ripoll, investigador del Instituto de Física Fundamental (IFF-CSIC), en Madrid, la base de este sistema de comunicación es similar al que usaban algunos jefes de Estado durante la Segunda Guerra Mundial. Grababan sus mensajes hablados y los mezclaban con una fuente de ruido blanco, de modo que solo aquel que recibiera los datos de ese ruido, podía eliminar esta distorsión del mensaje y escuchar las palabras con claridad. Para aquel que interceptara el mensaje y no tuviera la clave, la emisión no sería más que ruido sin sentido.

«Muchas empresas, ya comercializan dispositivos de criptografía cuántica. En China además hay redes de este tipo para conectar bancos o instituciones del gobierno» ha dicho este investigador. «El problema es que estos sistemas de fibra óptica solo funcionan a distancias de decenas de kilómetros. Pero con el satélite, se podría aumentar esta distancia». Mientras que en el suelo hay muchas interferencias a causa de la absorción de la luz en la fibra óptica o por otras partículas, en el espacio el «ruido» que puede interferir con los fotones es menor. De hecho, la misión QUESS pretende probar las comunicaciones cuánticas a una distancia de 1.200 kilómetros, cuando hoy en día el récord en tierra está en los 300.

Pero, ¿qué papel tiene el teletransporte en la criptografía cuántica? Según ha explicado Félix Bussières, su papel es «aumentar el alcance de la criptografía y la comunicación, y funcionar como una herramienta para el futuro de la comunicación».

Ordenadores cuánticos

Además, tal como ha sugerido Germán Sierra Rodero, profesor de investigación en el Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, «la teleportación será uno de los protocolos que formarán parte de un ordenador cuántico y que permitirán llevar la información de un lado a otro». De hecho, desde hace más de 15 años ya se considera que uno de los medios para transmitir de forma fiable los inestables datos cuánticos dentro de uno de estos ordenadores es usar el teletransporte cuántico.

Imagen de la trampa para iones del primer ordenador cuántico programable- Shantanu Debnath y Emily Edwards

La gran ventaja de estos ordenadores cuánticos, tal como ha explicado Bussières, es que tienen una gran capacidad de computación con grandes números, lo que sirve para simular reacciones químicas complejas, optimizar procesos industriales o sintetizar mejores medicamentos. Además, pueden hacerlo muy rápidamente. Según los científicos chinos implicados en QUESS, los problemas que uno de los súperordenadores más potentes, como el Tianhe-2, resolvería en 100 años, podrían ser procesados por un ordenador cuántico en tan solo 0,01 segundos.

Sea como sea, el futuro cuántico parece inevitable. Muchos científicos alertan de que es cuestión de tiempo que los sistemas de seguridad de internet, ya de por sí poco seguros, acaben siendo descifrados. Más cuando se desarrollen los ordenadores cuánticos, caracterizados por su gran capacidad. Por eso, el desarrollo de la criptografía cuántica está garantizado, y ya la Unión Europea se lo plantea como un objetivo para mejorar los sistemas de seguridad de la industria y las infraestructuras.

Aparte de eso, la tecnología cuántica también se aplica al campo de la metrología, para desarrollar relojes atómicos cada vez más precisos, como para construir sensores mucho más sensibles. Incluso, en el campo de la astronomía se plantea la idea de usar esta tecnología para conectar varios telescopios y crear instrumentos con una resolución sin precedentes. Por muy imposible que parezca, el mundo cuántico amenaza con estar cada vez más presente en la tecnología del día a día.

Viñeta para explicar el funcionamiento del teletransporte cuántico- NASA

¿Ciencia o ficción?

-¿Es posible teletransportar personas?

No, el teletransporte cuántico es solo una forma de transportar información, no materia. Dicha información son propiedades, como la polarización de la luz, o el estado de un átomo, que se teletransportan entre objetos que ya existen en dos puntos del espacio muy separados.

Por tanto, aunque se pudiera teletransportar toda la información que da lugar a una persona, tendríamos que tener primero una copia de todos los átomos que forman dicha persona en el otro punto del espacio, algo que no es factible. Además, el estado cuántico de cada uno de los átomos de una persona cambian constantemente, pero la persona sigue siendo la misma. Por lo tanto, transferir los estados cuánticos no implica transferir a una persona.

-¿Y se pueden teletransportar al menos objetos?

En teoría se podría teleportar la información cuántica de objetos macroscópicos, pero, para lograr esto, los objetos deben tener un estado cuántco puro, una situación muy frágil y efímera y que depende de que el entorno no interaccione con ellos. Los experimentos con átomos y moléculas mayores facilitan mucho que se perturbe este estado cuántico, porque otros átomos o la radiación térmica más débil pueden desviarlos de este estado. Este es el motivo por el que en el mundo cotidiano y macroscópico las personas no perciben los efectos cuánticos que sí sufren las pequeñas partículas.

-¿Y qué hay del teletransporte a través del tiempo?

La única forma de viajar a través del tiempo contemplada por la teoría científica es la de atravesar un agujero de gusano, o puente Einstein-Rosen.

-Entonces, ¿para qué sirve el teletransporte cuántico?

Es un campo en desarrollo dentro de la mecánica cuántica que podría servir para crear sistemas de comunicación totalmente indescifrables y a grandes distancias. También servirá para facilitar el desarrollo de ordenadores cuánticos, dispositivos mucho más potentes que los mejores súpercomputadores actuales. Además se trabaja para diseñar telescopios y sensores mucho más sensibles que los actuales.

-¿Y cómo funciona? (Por Juan José García Ripoll, físico del IFF)

El teletransporte funciona a partir del entrelazamiento, una característica de la mecánica cuántica por la cual dos partículas «coordinan» o correlacionan sus estados cuánticos de forma que el valor de cualquier propiedad, como la polarización o el color de un fotón, es el mismo para ambas partículas. Esto no tendría mayor interés si no fuera porque en el mundo cuántico estas propiedades pueden estar en un estado «indefinido», una superposición aleatoria de muchas posibilidades que sólo se resuelve en el momento en que miramos a la partícula.

Cómo se utiliza el teletransporte en la práctica? Supongamos que en la viñeta Bob quiere pedirle matrimonio a Alicia, pero no quiere que nadie más conozca la respuesta. Bob comienza por crear un par de fotones entrelazados: se guarda uno en una «caja» y envía el otro a Alicia. Alicia coge ese segundo fotón y lo pone en contacto con otro fotón o un átomo donde ha guardado la respuesta (0 para no y 1 para sí). Al hacer interactuar esas dos partículas ocurre queinstantáneamente tanto el fotón de Alicia como el de Bob cambian de forma aleatoria. El fotón de Alicia contendrá un valor aleatorio, digamos 0 o 1, y el de Bob contendrá otro valor aleatorio, también 0 o 1. Si alicia envía sus valores a Bob, éste podrá combinarlos con su valor para obtener la respuesta, «sí» o «no».

Hay dos puntos importantes por tanto en el teletransporte: En primer lugar, el estado de dos partículas alejadas cambia instantáneamente. Esto ocurre porque la indefinición estadística que había al crear los fotones entrelazados desaparece cuando Alicia actúa sobre ellos.

El segundo punto importante es que Alicia y Bob al final sólo tienen ruido y sólo pueden reconstruir la información cuando uno envía al otro su parte de los datos. No obstante, esta comunicación es segura, porque la información que Alicia envía a Bob es completamente aleatoria e independiente de su respuesta, «sí» o «no».

ABC