El entrelazamiento cuántico es un fenómeno científico desconcertante.
Se dice que dos partículas en mecánica cuántica están entrelazadas cuando están conectadas de tal manera que no son independientes entre sí.
A continuación, se ofrece una exploración más detallada de este proceso y de cómo los científicos trabajan para comprenderlo mejor.
Mejorar la eficiencia del proceso de creación y manipulación del entrelazamiento puede ayudar a optimizar la eficiencia de otras tecnologías cuánticas.
El «entrelazamiento cuántico» es uno de los varios recursos argumentales que aparecen en las películas modernas de ciencia ficción. Los aficionados a las películas de superhéroes de Marvel, por ejemplo, conocerán la idea de líneas temporales que se fusionan y se cruzan, o de destinos de personajes que se entrelazan por medios aparentemente mágicos.
Pero el «entrelazamiento cuántico» no es solo una palabra de moda de la ciencia ficción. Es un fenómeno muy real, desconcertante y útil. El «entrelazamiento» es un aspecto del conjunto más amplio de ideas de la física conocido como mecánica cuántica, una teoría que describe el comportamiento de la naturaleza a nivel atómico e incluso subatómico.
Comprender y aprovechar el entrelazamiento es clave para crear muchas tecnologías de vanguardia. Entre ellas se encuentran las computadoras cuánticas, que pueden resolver determinados problemas mucho más rápido que las computadoras convencionales, y los dispositivos de comunicación cuántica, que nos permitirían comunicarnos entre nosotros sin la menor posibilidad de que un espía nos escuche.
Pero ¿qué es exactamente el entrelazamiento cuántico? Se dice que dos partículas en mecánica cuántica están entrelazadas cuando una de las partículas no puede describirse perfectamente sin incluir toda la información sobre la otra: las partículas están «conectadas» de tal manera que no son independientes entre sí. Aunque esta idea puede parecer lógica a primera vista, es un concepto difícil de comprender, y los físicos todavía siguen aprendiendo sobre él.
Dados cuánticos
Supongamos que le doy a usted y a su amiga Thandi una pequeña caja negra opaca a cada una. Cada caja contiene un dado común de seis caras. A ambas se les indica que agiten ligeramente sus cajas para revolver los dados. Luego se separan. Thandi regresa a casa, a una ciudad sudafricana, Ciudad del Cabo; usted regresa a otra, Durban. No se comunican entre sí durante el proceso. Cuando llegan a casa, cada una abre su caja y observa el número que queda hacia arriba en su dado.
Normalmente, no habría correlación entre los números que usted y Thandi observan. Ella tendría la misma probabilidad de observar cualquier número del 1 al 6, al igual que usted; lo importante es que el número que ella vea en su dado no tendría ninguna relación con el número que usted vea en el suyo.
Esto no sorprende; de hecho, así funciona normalmente el mundo. Sin embargo, si pudiéramos hacer que este ejemplo fuera «cuántico», podría comportarse de manera muy diferente. Supongamos que ahora les indico a Thandi y a usted que primero den un ligero golpecito con sus cajas entre sí, y luego las agiten por separado y se dirijan cada una por su lado.
En una analogía con la mecánica cuántica, esta acción de golpear las cajas entre sí encantaría los dados y los vincularía –o entrelazaría– de manera misteriosa: una vez que ambas lleguen a casa, abran sus cajas y observen los números, el número de usted y el de Thandi están garantizados para estar perfectamente correlacionados. Si usted ve un «4» en Durban, sabe que Thandi en Ciudad del Cabo tiene garantizado obtener también un «4» en su dado; si usted ve un «6», ella también lo tendrá.
En esta analogía, los dados representan partículas individuales (como átomos o partículas de luz llamadas fotones), y el acto mágico de golpear las cajas entre sí físicamente es lo que las entrelaza, de modo que medir un dado nos proporciona información sobre el otro.
Crear un mejor entrelazamiento
Hasta donde sabemos, no existe ninguna acción mágica de golpear cajas que encante un par de dados u otros objetos a nuestra escala humana y macroscópica (si existiera, podríamos experimentar la mecánica cuántica en nuestra vida cotidiana y probablemente no sería un concepto tan extraño y desconcertante). Por ahora, los científicos deben conformarse con trabajar con elementos a nivel microscópico, donde es mucho más fácil observar los efectos cuánticos, como los átomos cargados llamados iones o los dispositivos superconductores especiales llamados transmones.
Este es el tipo de trabajo que se lleva a cabo en el Laboratorio de Luz Estructurada de la Universidad de Witwatersrand, en Sudáfrica. Sin embargo, en lugar de iones o transmones, los investigadores del laboratorio utilizan partículas de luz, llamadas fotones, para comprender mejor la mecánica cuántica y sus implicaciones. Nos interesa utilizar la naturaleza cuántica de la luz para diversos fines: desde el diseño de sistemas de comunicación eficientes que sean completamente impenetrables para un tercero malintencionado, hasta la creación de métodos para obtener imágenes de muestras biológicas sensibles sin dañarlas.
Estudios como este suelen exigirnos comenzar con estados especialmente creados de fotones entrelazados. Pero no es tan sencillo como colocar dos dados en cajas separadas y golpearlas entre sí. Los procesos utilizados para crear fotones entrelazados en un laboratorio real están limitados por numerosas variables experimentales. Entre ellas se encuentran la forma de los haces láser utilizados en los experimentos y el tamaño de los pequeños cristales donde se crean los fotones entrelazados. Estos factores pueden dar resultados deficientes –o estados no ideales– que obligan a los investigadores a descartar selectivamente algunas mediciones una vez terminado el experimento. Esta no es una situación óptima: se descartan fotones y, por tanto, se desperdicia energía.
Un grupo de investigadores del laboratorio, entre ellos yo, dio recientemente un paso hacia la solución de este problema. En un artículo de revista, calculamos matemáticamente cuál debe ser la forma óptima del láser para crear, en la mayor medida posible, el estado entrelazado con el que un experimentador querría iniciar su experimento. El método propone cambiar la forma del haz láser de entrada al comienzo de un experimento para maximizar el proceso de creación de fotones entrelazados más adelante en el experimento. Esto significará que habrá más fotones disponibles para realizar el experimento de la manera que se desee, y menos fotones dispersos.
¿Qué hace el Foro para dar forma a la gobernanza de las tecnologías emergentes?
Mejorar la eficiencia del proceso de creación y manipulación del entrelazamiento, mediante técnicas como la propuesta, será importante para optimizar la eficiencia de varias otras tecnologías cuánticas, como los sistemas de criptografía cuántica y las demás tecnologías ya mencionadas. Esto es especialmente importante a medida que la cuarta revolución industrial avanza a nivel mundial y las tecnologías con la mecánica cuántica en su núcleo indudablemente se vuelven más comunes.
