29 La paradoja EPR

La mecánica cuántica sugiere que la información puede ser transmitida de forma instantánea entre sistemas, al margen de lo lejos que estén. Este entrelazamiento implica vastas redes de interconectividad entre las partículas del universo. Einstein, Podolsky y Rosen pensaron que esto era absurdo y cuestionaron esta interpretación en su paradoja. Los experimentos mostraban que el entrelazamiento cuántico es cierto, permitiendo aplicaciones en criptografía, computación e incluso teletransportación cuántica.

Albert Einstein jamás aceptó la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica, que afirmaba que los sistemas cuánticos existían en un incierto estado probabilístico hasta que eran observados, y entonces adoptaban su estado final. Antes de ser filtrado por la observación, el sistema existe en una combinación de todos los estados de existencia posibles. Einstein no estaba satisfecho con esta representación, argumentando que una combinación así era poco realista.

Partículas paradójicas En 1935, Einstein junto con Boris Podolsky y Nathan Rosen resumieron su descontento en forma de una paradoja. Ésta se dio a conocer como paradoja Einstein-Podolsky-Rosen o EPR. Imaginemos una partícula que se descompone en dos más pequeñas. Si la partícula madre original era estacionaria, las partículas hijas tenían que tener un momento lineal y angular igual y opuesto, de tal modo que la suma fuera cero (ya que éstos se conservan). Por tanto, las partículas emergentes tienen que dispersarse y girar en sentidos opuestos. Otras propiedades cuánticas del par están unidas de forma similar. Una vez emitidas, si tuviéramos que medir la dirección del espín de una de las partículas, sabríamos inmediatamente que el otro miembro del par tiene el espín contrario, aunque haya transcurrido un tiempo significativo y estuviera lejos o fuera de su alcance. Es como mirar a unos gemelos y observar el color de sus ojos. Si son verdes, en ese preciso instante sabemos que el otro gemelo también los tiene verdes.

Al explicar esto utilizando la interpretación de Copenhague, se diría que, antes de realizar cualquier medición, ambas partículas (los gemelos) existían en una superposición de ambos estados. Las funciones de onda de las partículas incluían información sobre éstas girando en cualquier dirección; los gemelos tendrían una mezcla de todos los colores de ojos posibles. Cuando medimos a un miembro del par, las funciones de onda para ambos tienen que colapsarse al mismo tiempo. Einstein, Podolsky y Rosen argumentaban que esto carecía de sentido. ¿Cómo puede usted afectar a una partícula en un instante en que podría estar potencialmente alejada de su compañera? Einstein ya había demostrado que la velocidad de la luz era el límite de la velocidad universal; nada podía viajar más rápido. ¿Cómo se comunicaba el hecho de la observación de la primera partícula a la segunda? Que una medición en un lado del universo podía afectar «simultáneamente» a una materia que se encontraba en el lado opuesto debía significar que la mecánica cuántica estaba equivocada.

Entrelazado En el mismo trabajo en el que describía su paradoja del gato, Schrödinger utilizaba el término «entrelazado» para describir esta extraña acción a distancia.

Para Bohr era inevitable que el universo estuviera vinculado a nivel cuántico. Pero Einstein prefería creer en una «realidad local» donde el conocimiento del mundo era cierto localmente. Igual que los gemelos habían nacido presumiblemente con el mismo color de ojos y no andaban por ahí en un confuso estado de ojos multicolores hasta que los observábamos, Einstein supuso que el par de partículas era emitido de una u otra forma que se fijaba posteriormente; no era necesaria ninguna comunicación a distancia, ni ningún papel para el observador. Einstein presupuso que se descubrirían ciertas variables ocultas, actualmente reformuladas como «desigualdades de Bell», que finalmente demostraron que estaba en lo cierto, pero no se ha hallado ninguna evidencia que respalde esta idea.

La idea de Einstein de una realidad local ha resultado ser falsa. Los experimentos han demostrado incluso que el entrelazamiento cuántico es cierto, incluso si hay más de dos partículas y para partículas entrelazadas separadas por muchos kilómetros.

Información cuántica El entrelazamiento cuántico se inició originalmente como un debate filosófico, pero en la actualidad permite la codificación y transmisión de información de formas diferentes de las que anteriormente eran posibles. En los ordenadores corrientes, la información está codificada como bits con valores fijos en código binario. En la codificación cuántica, se utilizan dos o más estados cuánticos, pero el sistema también puede existir en una combinación de estos estados. En 1993, se acuñó el término «qubit» como forma abreviada para designar el bit cuántico (la mezcla cuántica de valores del bit) y en la actualidad las computadoras cuánticas se diseñan de acuerdo con estos principios.

Los estados de entrelazamiento ofrecen nuevos vínculos comunicativos entre los qubits. Si se produce una medición, ésta inicia una cascada de nuevas comunicaciones cuánticas entre los elementos del sistema. La medición de un elemento determina los valores de todos los demás; estos efectos son muy útiles en criptografía cuántica e incluso en teletransportación cuántica.

La indeterminación de la mecánica cuántica en realidad hace imposible nuestra teletransportación tal y como la representan en la ciencia ficción, a través de la cual un científico toma toda la información de algo y lo transporta a otro sitio. No podemos obtener la totalidad de la información a causa del principio de incertidumbre. Por tanto, teletransportar a un ser humano o una mosca siquiera, es imposible. Sin embargo, es posible una versión cuántica a base de manipular sistemas entrelazados. Si dos personas, a las que los físicos llaman Alice y Bob, comparten un par de fotones entrelazados. Alice puede realizar mediciones de su fotón de tal forma que puede transmitir toda la información original al fotón entrelazado de Bob. Entonces el fotón de Bob no se podrá distinguir del original de ella, aunque es una reproducción. Cabe preguntarse si esto es o no verdadera teletransportación. Ningún fotón o información ha viajado a ninguna parte, así que Alice y Bob podrían estar en lados opuestos del universo y aun así transformar sus fotones entrelazados.

La criptografía cuántica se basa en el uso del entrelazamiento cuántico como clave de codificación vinculante. El emisor y el receptor tienen que conocer cada uno por su cuenta los componentes de un sistema entrelazado. Un mensaje se puede codificar al azar y el único código para desentrañarlo se envía al receptor a través de conexiones de entrelazamientos cuánticos. Esto tiene la ventaja de que si el mensaje es interceptado, cualquier medición arruina el mensaje (cambiando su estado cuántico), de modo que éste sólo se puede utilizar una vez y sólo puede ser leído por alguien que conozca exactamente las mediciones cuánticas que hay que llevar a cabo para desvelarlo a través de la clave.

El entrelazamiento nos dice que es sencillamente erróneo suponer que todo nuestro mundo existe independientemente en una forma, al margen de las mediciones que hagamos de él. No existe un objeto fijo en el espacio, sólo información. Sólo podemos recopilar información acerca de nuestro mundo y ordenarlo como consideremos aceptable, de tal modo que tenga sentido para nosotros. El universo es un mar de información; la forma que le asignemos es secundaria.

Cronología:

1927 d. C.: Se propone la interpretación de Copenhague.

1935 d. C.: Einstein, Podolsky y Rosen formulan su paradoja.

1964 d. C.: John Bell descubre desigualdades para una realidad local.

1981-1982 d. C.: Se demuestra que las desigualdades de Bell se pueden contravenir, lo cual apoya el entrelazamiento.

1993 d. C.: Los bits cuánticos se bautiza como qubits.

La idea en síntesis: mensajería instantánea