Olvida el teletransporte, la física cuántica tiene asuntos más urgentes que resolver

«Teletranspórtame, Scotty» es una de las frases más populares de la ciencia ficción. No solo porque Star Trek tenga millones de fans por todo el mundo, sino porque esta saga ha inspirado a no pocos científicos e investigadores. Es el caso de Martin Cooper, que, a principios de los años 1970, hizo realidad la idea del teléfono portátil sin cables gracias a un capítulo emitido en 1966. Incluso en 2007, las cenizas del propio James Doohan, el actor que interpretaba a Scotty en la serie de televisión, fueron enviadas al espacio como homenaje galáctico.

Pero ¿y la teletransportación? Muchos han soñado con una forma de llegar instantáneamente a otro punto del espacio, como lo hacían en Star Trek, y desde que descubrimos que el universo es mucho más extraño de lo que creíamos gracias a la mecánica cuántica, la idea no ha dejado de incitar nuestra imaginación. ¿Para cuándo podremos evitarnos todos esos atascos de tráfico a las ocho de la mañana?

Sin embargo, la teletransportación tardará en llegar porque se enfrenta a desafíos físicos (e incluso filosóficos) de difícil solución. De todas formas, carece de importancia que de momento no lo consigamos. Porque reducir la mecánica cuántica a la teletransportación es obviar todos los vibrantes avances que se están produciendo en este campo. Muchos más espectaculares que los sugeridos por cualquier gadget de ciencia ficción.

El origen de Todo

El Nobel de Física Steven Weinberg explica en su libro Los tres primeros minutos del Universo que una centésima de segundo después del Big Bang, el universo aún era una sopa de materia y radiación de 100.000 millones de grados Kelvin. Pocos segundos después, sin embargo, la temperatura ya descendió hasta los 1.000 millones de grados (unas 70 veces la temperatura de nuestro Sol) y empezaron a empezaron a surgir las partículas elementales que configuran toda la realidad que conocemos y, con ellas, las cuatro interacciones que lo rigen todo.

Según el modelo estándar, existen cuatro tipos de interacciones fundamentales entre las partículas del universo que aparecieron hace 13.700 millones años: la interacción nuclear fuerte (mantiene unidos los protones y neutrones), la interacción nuclear débil (responsable de fenómenos naturales como la desintegración radiactiva), la interacción electromagnética (la que ocurre entre las partículas con carga eléctrica) y la interacción gravitatoria (la que origina los movimientos a gran escala que se observan en el universo). La física moderna ha tratado de unificar estas cuatro interacciones para, finalmente, crear una teoría del todo, una única ecuación que explicara la realidad. Sin embargo, por el momento solo se ha logrado unificar la interacción débil con la electromagnética (interacción electrodébil).

Una parte del modelo estándar también implica a la teoría cuántica, que se se centra en el estudio de los átomos, los quarks, los fotones y, en general, toda la realidad a una escala nanométrica o menor. Es decir, fija su atención en todas esas partículas que no podemos ver a simple vista y que parecen comportarse ajenas a las leyes de la física clásica, la que implica a los objetos más grandes. En esencia, la teoría cuántica se sustenta en tres pilares: 1) La energía se halla en paquetes llamados “cuantos”. 2) La materia se basa en partículas puntuales, pero la posibilidad de encontrarlas la da una onda que obedece a la ecuación de onda de Schrödinger. 3) Se requiere una medición para colapsar la onda y determinar el estado final de un objeto.

Este comportamiento exótico resulta fundamental no solo para comprender la realidad macroscópica, sino que invade nuestra tecnología cotidiana, como la que encontramos en un smartphone o el número de la tarjeta de crédito que usamos para comprar por internet.

Evento del quark top en el colisionador del Fermilab. El quark top es la penúltima partícula del modelo estándar descubierta hasta la fecha (en Tevatrón en 1995).

Un Nobel por la libertad asintótica

La interacción nuclear fuerte, una de las cuatro interacciones fundamentales del modelo estándar, se encarga de mantener unidos los protones y neutrones del núcleo atómico, venciendo así la repulsión electromagnética. Esta interacción, pues, solo tiene efecto en distancias muy pequeñas, la de los tamaños microscópicos de los núcleos atómicos, a diferencia de los efectos de largo alcance que tienen la gravedad o la interacción electromagnética.

Frank Wilczek, un físico estadounidense de origen polaco e italiano, recibió el Premio Nobel de Física 2004 por llevar a cabo un hallazgo fundamental que implicaba al funcionamiento de la interacción nuclear fuerte: la existencia de la libertad asintótica. Un tipo de libertad que afecta a los quarks (las únicas partículas fundamentales que interactúan con las cuatro interacciones fundamentales).

Mientras estudiaba en la Universidad de Princeton, en 1973, Wilczek empezó a atisbar que tenía lugar esta libertad asintótica, que establece que, a medida que estén más próximos los quarks, menor será la interacción fuerte entre ellos.

De hecho, si los quarks están lo suficientemente próximos, la interacción nuclear es tan débil que, a efectos prácticos, es como si no existiera, lo que permite que los quarks se comporten como partículas libres, tal y como señala el propio Wilczek, «esto significa que se hace posible comprender el funcionamiento del universo primitivo, ya que en aquel entonces las cosas estaban mucho más juntas y con un mayor nivel de energía, más cerca del Big Bang». De hecho, la interacción fuerte es la responsable de proporcionar la mayor parte de la masa en los objetos. Sin ella, sencillamente, todos nosotros nos descompondríamos.

Fotones emitidos en un rayo coherente por un láser

Aplicación cuántica en la vida real

Las propiedades de la mecánica cuántica tienen aplicaciones en la vida cotidiana de formas mucho más sugestivas que algunas ideas de la ciencia ficción, como el teletransporte. Y es que, en palabras de Wilczek, siempre que se quiera lograr que la materia, electrones, haga algo, se necesita mecánica cuántica.

«Gran parte de nuestra tecnología, y más de un tercio de nuestra economía, se basa en los productos desarrollados gracias a lo que conocemos de la teoría cuántica», escribe la doctora en Física Cuántica Sonia Sánchez-Vidal en su libro Desayuno con partículas. El láser no se habría desarrollado sin haberse sabido manipular el mundo cuántico, y gracias a él disfrutamos de reproductores de DVD, impresoras láser, ratones ópticos, lectores de códigos de barras o hasta las puertas que se abren automáticamente gracias a una célula fotoeléctrica.

En el mundo cuántico, es decir, a pequeña escala, hemos asistido a fenómenos que recuerdan vagamente a la teletransportación de Star Trek. Y es que a nivel cuántico, dos partículas pueden permanecer ligadas o entrelazadas, incluso a distancias ilimitadas y sin ninguna conexión física entre ellas, y pueden también teletransportarse a través del espacio. Por ejemplo, el Joint Quantum Institute, de la Universidad de Maryland, anunció haber transferido a una distancia de un metro y sin viajar por ningún medio físico información entre átomos aislados. También investigadores de la Universidad de Tokio han logrado teletransportar partículas.

Sin embargo, una vez saltamos al mundo macroscópico, el teletransporte de objetos se convierte en casi una utopía. Por ejemplo, un ser humano está compuesto de trillones de átomos. Según Michio Kaku, en su libro Física de lo imposible, quizá en unas décadas se consiga teletransportar una célula, un virus o ADN, pero aún faltan siglos para lograr el teletransporte humano o el de un objeto cualquiera. Además, teletransportar seres vivos planteará problemas filosóficos y morales peliaguados.

Por ejemplo, si conseguimos que un puñado de átomos distantes se reorganicen hasta formar la persona que quiere teletransportarse, ¿deberemos eliminar al original para evitar que no existan dos copias? ¿Eliminar al original será asesinato? ¿El original estará dispuesto a sacrificarse bajo la promesa que otra copia exacta de él vivirá su vida tal y como él la deja? ¿Dónde queda el concepto de identidad y libre albedrío en estas circunstancias?

Según Wilczek, antes que el teletransporte, será mucho más plausible crear robots, avatares o dispositivos de realidad virtual que nos permitan interactuar en lugares remotos como si realmente estuviéramos allí, tal y como sucede en la película Avatar, de James Cameron.

Afortunadamente, antes de que llegue el efectista teletransporte, la mecánica cuántica nos habrá permitido hacer avances igualmente espectaculares, si no más, que cambiarán nuestra vida para siempre. A continuación vamos a repasar algunos de ellos.

Frank Wilczek, Premio Nobel de Física

Computación cuántica

Fue el físico Richard Feynman uno de los primeros científicos en considerar la necesidad de construir ordenadores cuánticos usando para ello las extrañas leyes de la mecánica cuántica.

Una partícula subatómica no tiene únicamente un valor de una cantidad física, sino todos los valores al mismo tiempo, lo que se denomina superposición. Hasta ahora los ordenadores se basaban en la física clásica, es decir, en átomos, así que su funcionamiento se limita a los ceros y unos de un bit: o una posición, o la otra. Cualquier circuito integrado representa bits binarios en pequeños interruptores electrónicos que se encienden o se apagan. A nivel cuántico, sin embargo, un bit podría ser 0 y 1 simultáneamente. Esta clase de bits cuánticos se llama qubits.

La superposición, el entrelazamiento y la teletransportación, efectos extraños para nosotros que solo tienen lugar a escala cuántica, pues, podrían mejorar hasta límites insospechados la eficiencia de la computación. Se estima que un ordenador cuántico que operara con 300 qubits poseería el poder computación de todas las supercomputadoras convencionales del mundo unidas entre sí.

Este crecimiento en la potencia de cálculo resulta difícil de imaginar, cuando la Ley de Moore postula que la potencia de los ordenadores clásicos ya se duplica más o menos cada 18 meses (por ejemplo, un smartphone actual tiene más potencia que todas las computadoras usadas por la NASA al enviar por primera vez al ser humano a la Luna). Pero la escala cuántica permitirá rodear incluso los límites físicos de la Ley de Moore (el instante en que los transistores lleguen a ser tan pequeños como un átomo, ya no podrá continuar su crecimiento de potencia exponencial), yendo mucho más allá.

Construir ordenadores cuánticos resulta difícil porque las partículas deben estar aisladas del ambiente y mantenerse a temperaturas muy bajas para favorecer la superposición, pero ya se han construido algunos ordenadores que usan unos pocos qubits de fotones. En la Universidad de Waterloo se han logrado manipular 16 qubits, el equivalente a más de mil bits clásicos, es decir, más o menos el equivalente a un computador de la década de 1950. Irónicamente, estos ordenadores cuánticos también ocupan habitaciones enteras, como sus predecesores clásicos.

Fotografía de un chip construido por D-Wave Systems Inc.

La empresa canadiense D-Wave System presentó en mayo de 2011, en Silicon Valley, la primera computadora cuántica comercial de 128-qubits de propósito general, llamada Orion (aunque en realidad es una clase de máquina de propósito general que usa algo de mecánica cuántica para resolver problemas). En mayo de 2013 se anunció una colaboración entre la NASA, Google y la USRA para lanzar un Laboratorio de Inteligencia Artificial Cuántico en el que se usará un ordenador cuántico 512 qubits para la investigación acerca el aprendizaje de las inteligencias artificiales, entre otros campos de estudio.

Criptografía cuántica

El entrelazamiento, otro de los efectos prodigiosos de la teoría cuántica, permite que, por ejemplo, dos fotones se comuniquen entre sí de forma casi instantánea. Demostrado en laboratorio por primera vez en 1982, los últimos experimentos con el entrelazamiento de los fotones muestran que la información transmitida entre ellos viaja 10.000 veces más rápido que la luz y, al menos, a distancias de hasta 144 kilómetros de espacio vacío. Esto no significa que los fotones puedan transmitir cualquier cosa entre sí: el entrelazamiento se limita, en un par de fotones correlacionados, a su estado.

Un fotón puede estar en una estado H y el otro en un estado V, sin saber cuál es cual. Ambos fotones se separan entre sí a gran distancia, y al medir uno de los fotones (dando H, por ejemplo), el segundo fotón dará otro valor (V). Como si el segundo fotón “supiera” el resultado de la medición del primer fotón, y se ajustara a su resultado. Un extraño fenómeno de la física cuántica que fue calificado por Albert Einstein como una “acción fantasmal a distancia”.

Esta acción a distancia podría ser clave para el futuro desarrollo de la criptografía, es decir, para transmitir información de modo seguro a través de una red de fibra óptica. Charles Bennett y Gilles Brassard diseñaron la distribución de la llave cuántica en 1984: basándose en el entrelazamiento de los fotones, crearon una “llave” que es un largo hilo de bits que conforman la contraseña secreta. Intentar averiguar el código modificaría el código: esto es una consecuencia del principio de incertidumbre de Heisenberg, que nos indica que el proceso de medir un sistema cuántico perturba dicho sistema.

Los primeros productos comerciales de criptografía cuántica salieron al mercado en 2002. Las llaves cuánticas ya se han usado para asegurar transferencias bancarias y resultados electorales en Suiza, en 2007. Recientemente investigadores de la Universidad de Tokio desarrollaron un protocolo que, en lugar de detectar los intentos de espionaje, los evita. En un mundo donde cada vez hay más acceso a la información, pues, esta clase de criptografía para proteger datos sensibles será cada vez más importante.

Internet cuántica

Una internet capaz de transmitir datos de forma increíblemente rápida y, a la vez, 100% segura está más cerca que nunca a raíz de las pruebas que se han realizado en el Laboratorio Nacional de Los Alamos (Nuevo México).

Hasta ahora solo se habían podido realizar pruebas de una internet cuántica conectando dos localizaciones, enviando mensajes entre una y otra. Los investigadores de Los Alamos son los primeros que aseguran haberlo conseguido en una red conectada de ordenadores, tal y como explican en el MIT Technology Review.

Un grupo de investigadores de la Universidad Tecnológica de Eindhoven, Holanda, que también han hecho avances en este campo, asegura que la internet cuántica puede ser la conexión del futuro uniendo las posibilidades de la criptografía cuántica y la computación cuántica.

El futuro cuántico

Muchos son los desarrollos que está propiciando la investigación de la mecánica cuántica, tal y como pronostica Wilczek: “la mecánica cuántica ya ha logrado maravillas: transistores, ordenadores modernos, microelectrónica... todo ello sería inconcebible sin la comprensión fundamental de la materia que nos da la mecánica cuántica [...] el diseño de nuevos tipos de fármacos, nuevas clases de materiales existentes, láseres, detectores de diferentes tipos de luz, dispositivos médicos…”. En medicina, por ejemplo, las aplicaciones de la cuántica son muy prometedoras. Por ejemplo, la biotecnología podrá aliarse con la cuántica para elaborar radioterapias más precisas gracias a puntos cuánticos (que marcarán la célula cancerígena evitando la destrucción de células sanas).

La futura fabricación de detectores de movimiento ultrasensibles a partir de un dispositivo cuántico desarrollado por los físicos Andrew Cleland y John Martinis, de la Universidad de California, que a la sazón fue el hallazgo científico más importante del año 2010 según la revista Science. Esta primera máquina cuántica permitirá observar directamente los efectos cuánticos en un objeto.

El prototipo de la máquina consiste en una diminuta paleta metálica de semiconductor visible a plena vista, que puede "bailar" con un ritmo cuántico, para producir un estado de movimiento puramente cuántico-mecánico, es decir, simultáneamente un poco y también mucho. La clase de detectores que llegarán gracias a este hallazgo nos permitirán probar, nada menos, los límites de la teoría cuántica y nuestro sentido de la realidad, yendo más allá que cualquier filósofo.

También los escáneres cerebrales pueden llegar mucho más lejos gracias a las propiedades de la cuántica, hasta el punto de que quizá en unos años podremos leer en tiempo real lo que está pensando un cerebro. Es lo que sugiere Jack Gallant, de la Universidad de Berkeley (California), que ha diseñado una máquina capaz de reconstruir las experiencias visuales que tiene una persona empleando para ello un escáner de resonancia magnética.

Otro ensayo con escáner cerebral realizado por la Universidad de California, y publicado en la revista científica Journal of Neuroscience, podía predecir que cerca de las tres cuartas partes de las personas sometidas a la prueba iban a utilizar el producto determinado más activamente de lo que afirmaron. Es decir, que se logró predecir el comportamiento de las personas mejor que ellas mismas.

Poder de computación millones de veces superior a la actual, predicción de fenómenos y hasta de pensamientos, materiales inimaginables, descubrimientos acerca de la naturaleza de la realidad... todo eso es lo que nos espera gracias a la teoría cuántica.

A pesar de que aún no conocemos por completo su funcionamiento, y de hecho resulta imposible de comprender si el uso de las matemáticas avanzadas (quienes afirman que la entienden probablemente no han entendido demasiado), lo cierto es que ésta hace progresar la tecnología hasta límites que nunca hubiéramos soñado. No podremos decir eso de «Teletranspórtame, Scotty» pero sí alcanzaremos otros finisterres que ninguna obra de ciencia ficción ha concebido. Porque ya decía Arthur C. Clarke que cualquier tecnología lo suficientemente avanzada es indistinguible de la magia.