TELEPORTACIÓN: «PROYÉCTAME, SCOTTY»

La teleportación cuántica ha sido un experimento mental hasta hace bastante poco, una idea que nunca había sido verificada en el mundo real. Pero en 1997, dos equipos de científicos tuvieron éxito al realizar el sueño de teleportar un estado cuántico de una partícula.

La teleportación cuántica es un modo de transferir el estado de una partícula a una segunda partícula, que puede encontrarse muy lejos, «teleportando» efectivamente la partícula a otro lugar. En principio, es la misma idea, de momento sólo existente en el reino de la ciencia ficción, por la que el capitán Kirk puede ser «teledevuelto» a la nave espacial Enterprise por Scotty, que se halla a bordo de dicha nave.

La teleportación es la aplicación más espectacular que podemos imaginar del fenómeno del entrelazamiento. Recientemente, dos equipos internacionales, uno de ellos dirigido por Anton Zeilinger en Viena y el otro por Francesco de Martini en Roma, han traído la idea de la teleportación cuántica de la imaginación a la realidad, siguiendo una sugerencia hecha en 1993 por Charles Bennet en un artículo en una revista de física. Bennet mostró que existía la posibilidad física de teleportar el estado cuántico de una partícula.

La razón por la que los físicos empezaron a reflexionar sobre la teleportación fue que en los años ochenta William Wootters y Wojciech Zurek demostraron que una partícula cuántica no puede «clonarse». El teorema de «no-clonación» de Wooters y Zurek afirma que si tenemos una partícula, su estado no puede copiarse en otra partícula, mientras que la partícula original permanece igual. Por consiguiente, es imposible crear una especie de máquina copiadora que tome una partícula y grabe su información en otra, dejando intacta la original. Así pues, la única forma de grabar información de una partícula en la otra comportaba la desaparición en la partícula original de esa misma información. A este hipotético proceso se le llamó después teleportación.

El artículo que describe el espectacular experimento de teleportación del equipo de Zeilinger, «Experimental quantum teleportation», de D. Boumeester, J. W. Pan, K. Mattle, M. Eibl, H. Weinfurter y A. Zeilinger, apareció en la prestigiosa revista Nature en diciembre de 1997. En él se dice:

El sueño de la teleportación es ser capaz de viajar mediante la simple reaparición en un lugar distante. Un objeto que teleportar puede ser completamente caracterizado por sus propiedades, que en física clásica pueden determinarse mediante la medición. Para hacer una copia de ese objeto en un lugar distante no se necesitan las partes y piezas originales; todo lo que se necesita es enviar la información «escaneada» de modo que pueda usarse para reconstruir el objeto. ¿Pero hasta qué grado de precisión puede ser ésta una copia fidedigna del original? ¿Qué ocurre si esas partes y piezas son electrones, átomos y moléculas?

Los autores analizan el hecho de que, debido a que estos elementos microscópicos que constituyen los cuerpos se rigen por las leyes de la mecánica cuántica, el principio de incertidumbre de Heisenberg dicta que no pueden medirse con precisión arbitraria. Bennet y sus colaboradores sugerían la idea de teleportación en un artículo de Physical Review Letters de 1993, proponiendo que puede ser posible transferir el estado cuántico de una partícula a otra —una teleportación cuántica— siempre que la persona que realiza la teleportación no obtenga ninguna información acerca de dicho estado en el proceso.

Parece absurdo que cualquier información obtenida por un observador externo pueda influir sobre lo que sucede en una partícula, pero según la mecánica cuántica el mero proceso de observar una partícula destruye («colapsa») la función de onda de la misma. El momento y la posición, por ejemplo, no pueden conocerse con cualquier precisión dada. Una vez medido (o actualizado de alguna otra manera), un objeto cuántico ya no está en ese estado borroso en el que se hallan los sistemas cuánticos, y la información se destruye entonces en el proceso de su obtención.

No obstante, Bennet y sus colaboradores tuvieron una brillante idea acerca de cómo podría transferirse la información presente en un objeto cuántico sin medirlo, esto es, sin colapsar su función de onda. La idea era usar el entrelazamiento. He aquí cómo funciona la teleportación.

Alicia tiene una partícula cuyo estado cuántico, que ella no conoce, es Q, y desea que Benito que se encuentra en un lugar distante, tenga una partícula en el mismo estado que la suya; esto es, Alicia desea que Benito tenga una partícula cuyo estado sea también Q. No bastaría con que Alicia midiera su partícula porque Q no puede determinarse completamente mediante una medida. Una razón es el principio de incertidumbre, y otra es que las partículas cuánticas se encuentran en una superposición de varios estados a la vez. Cuando se toma una medida, se fuerza a que la partícula pase a uno de los estados de la superposición. Esto se llama el postulado de proyección: la partícula se proyecta sobre uno de los estados de la superposición. El postulado de proyección de la mecánica cuántica hace imposible que Alicia mida el estado, Q, de su partícula de modo que obtenga toda la información presente en Q, que es lo que Benito necesitaría a fin de reconstruir el estado de la partícula de ella en su propia partícula. Como es habitual en la mecánica cuántica, al observar una partícula se destruye parte de su contenido de información.

Sin embargo, esta dificultad puede superarse mediante una manipulación astuta, como comprendieron Bennet y sus colegas. Estos investigadores cayeron en la cuenta de que precisamente el postulado de proyección permite a Alicia teleportar el estado de su partícula, Q, a Benito. El acto de teleportación cuántica envía a Benito el estado de la partícula de Alicia, Q, al tiempo que destruye el estado cuántico de la partícula que ella posee. Este proceso se logra mediante el uso de un par de partículas entrelazadas, una poseída por Alicia (que no es su partícula original con el estado Q) y la otra por Benito. Bennet y sus colegas han demostrado que la información total requerida para que pueda reconstruirse un objeto se divide en dos partes: una parte cuántica y una parte clásica. La información cuántica puede transmitirse instantáneamente (mediante entrelazamiento), pero esta información no puede ser utilizada sin la parte clásica correspondiente, que debe enviarse mediante un canal clásico (habitual), limitado por la velocidad de la luz.

Existen, por tanto, dos canales para el acto de teleportación: uno cuántico y el otro clásico. El canal cuántico consiste en un par de partículas entrelazadas: una está en manos de Alicia y la otra en las de Benito. El entrelazamiento es una conexión invisible entre Alicia y Benito. Dicha conexión es delicada, y debe preservarse manteniendo las partículas aisladas de su entorno. Un tercer compañero, Carlos, proporciona a Alicia otra partícula. El estado de esta nueva partícula es el mensaje que Alicia ha de enviar a Benito. Alicia no puede leer la información y se la envía a Benito, porque, debido a las reglas de la mecánica cuántica, el acto de leer (medida) altera la información de modo impredecible, y no puede obtenerse la totalidad de la misma. Alicia mide una propiedad conjunta de la partícula que le ha dado Carlos y su partícula entrelazada con la de Benito. A causa de este entrelazamiento, la partícula de Benito responde de modo inmediato, proporcionándole esa información; Alicia comunica el resto de ésta a Benito midiendo la partícula y enviándole la información parcial a través de un canal clásico. Esta información indica a Benito lo que tiene que hacer con su partícula entrelazada para obtener una perfecta transformación de la partícula de Carlos en la suya propia, completándose así la teleportación de la partícula de Carlos. Es digno de tener en cuenta que ni Alicia ni Benito conocen el estado que la primera ha enviado y el segundo recibido, solamente saben que dicho estado se ha transmitido. El proceso se muestra en la figura siguiente.

¿Puede extenderse la teleportación a objetos mayores, como las personas? Los físicos se muestran generalmente reticentes a responder esta pregunta, considerándola fuera del alcance de la física actual y quizás más propia de la ciencia ficción. Pero muchos desarrollos científicos y tecnológicos se habían considerado fantasías hasta que se hicieron realidad. El entrelazamiento mismo se consideraba algo puramente imaginario, hasta que la ciencia ha probado que es un fenómeno real, a pesar de su extraña naturaleza.

En caso de que la teleportación de personas y otros objetos macroscópicos fuera posible, ¿podemos imaginar cómo podría hacerse? Esta pregunta, y la anterior, tocan uno de los mayores problemas no resueltos de la física: ¿dónde se halla la frontera que separa el mundo macroscópico de la experiencia cotidiana y el mundo microscópico de fotones, electrones, protones, átomos y moléculas?

Sabemos por el trabajo de Louis de Broglie que las partículas poseen un aspecto ondulatorio, y que la longitud de onda asociada a una partícula puede calcularse. En consecuencia, incluso una persona puede tener, en principio, una función de onda asociada. (Hay otro punto técnico aquí que no puede discutirse en este libro, y es que una persona o un objeto macroscópico no estaría en un estado puro, sino más bien en una «mezcla» de estados). La respuesta a la pregunta de cómo podría llevarse a cabo la teleportación de una persona puede reformularse como la pregunta: ¿es una persona la suma de muchas partículas elementales, cada una con su función de onda propia, o un objeto macroscópico individual con una única función de onda (de una longitud de onda muy corta)? En el momento presente, nadie tiene una respuesta clara a esta cuestión, y la teleportación es desde luego un fenómeno real sólo en el dominio de lo muy pequeño.