Comunicación contrafactual
La comunicación cuántica es un fenómeno extraño, pero una de sus formas propuestas más insólitas se llama comunicación contrafactual: un tipo de comunicación cuántica en el que no viajan partículas entre dos destinatarios.
Los físicos teóricos han propuesto durante mucho tiempo que esa forma de comunicación sería posible, pero ahora, por primera vez, los investigadores han logrado demostrarla experimentalmente: han transferido una imagen bitmap en blanco y negro de un lugar a otro sin enviar partículas físicas.
Si eso te parece demasiado insólito, no te preocupes: al fin y al cabo, esto es mecánica cuántica. Se supone que es complicada. Pero, una vez que se desglosa, la comunicación cuántica contrafactual no es tan extraña como parece.
Empecemos por hablar de cómo se diferencia de la comunicación cuántica habitual, también conocida como teleportación cuántica; porque, ¿acaso esa no es también una forma de transferir información sin partículas?
Pues no exactamente. La teleportación cuántica habitual se basa en el principio del entrelazamiento: dos partículas que quedan vinculadas de forma inextricable, de modo que lo que le ocurra a una afecta automáticamente a la otra, sin importar lo alejadas que estén.
A esto se refería Einstein como «acción fantasmal a distancia», y los científicos ya la han utilizado para enviar mensajes a grandes distancias.
Pero esa forma de teleportación cuántica todavía depende de la transmisión de partículas de una forma u otra. Por lo general, las dos partículas deben estar juntas cuando se entrelazan antes de enviarlas a las personas situadas en cada extremo del mensaje (es decir, empiezan en un mismo lugar y deben transmitirse a otro para que pueda producirse la comunicación entre ellas).
Entra en escena Zeno
Como alternativa, las partículas pueden entrelazarse a distancia, pero esto suele requerir que otra partícula, como un fotón (una partícula de luz), viaje entre ambas.
La comunicación cuántica contrafactual directa, en cambio, se basa en algo distinto del entrelazamiento cuántico. En su lugar, utiliza un fenómeno llamado efecto Zeno cuántico.
En términos muy sencillos, el efecto Zeno cuántico se produce cuando se mide repetidamente un sistema cuántico inestable.
En el mundo cuántico, cada vez que observas o mides un sistema, este cambia. En este caso, las partículas inestables nunca pueden desintegrarse mientras se las mide (como la proverbial tetera vigilada que nunca hierve), así que el efecto Zeno cuántico crea un sistema que, con una probabilidad muy alta, queda efectivamente congelado.
Si quieres profundizar un poco más, el siguiente vídeo ofrece una explicación excelente:
La comunicación cuántica contrafactual se basa en este efecto Zeno cuántico y se define como la transferencia de un estado cuántico de un lugar a otro sin transmitir entre ellos ninguna partícula cuántica ni clásica.
Para ello se necesita un canal cuántico entre dos lugares, lo que significa que siempre existe una pequeña probabilidad de que una partícula cuántica atraviese el canal. Si eso ocurre, se descarta el sistema y se configura uno nuevo.
Para crear un sistema tan complejo, investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China colocaron dos detectores de fotón único en los puertos de salida del último elemento de una serie de divisores de haz.
Debido al efecto Zeno cuántico, el sistema queda congelado en un estado determinado, por lo que es posible predecir cuál de los detectores se activaría cada vez que pasaran fotones. Una serie de interferómetros anidados mide el estado del sistema para asegurarse de que no cambie.
El método funciona porque, en el mundo cuántico, todas las partículas de luz pueden describirse por completo mediante funciones de onda, en lugar de como partículas. Así, al codificar mensajes en la luz, los investigadores pudieron transmitirlos sin enviar directamente ninguna partícula.
La respuesta está en la luz
El equipo explica que la idea básica de este montaje surgió de la tecnología de holografía.
«En la década de 1940 se desarrolló una nueva técnica de imagen, la holografía, para registrar no solo la intensidad de la luz, sino también su fase», escriben los investigadores en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Entonces cabe plantearse la pregunta: ¿se puede usar la propia fase de la luz para obtener imágenes? La respuesta es sí».
La idea básica es la siguiente: alguien quiere enviar una imagen a Alice utilizando solo luz (que, en el ámbito cuántico, se comporta como una onda y no como una partícula).
Alice transfiere un fotón único al interferómetro anidado, donde puede ser detectado por tres detectores de fotón único: D0, D1 y Df.
Si D0 o D1 se «activa», Alice puede deducir un resultado lógico de uno o cero. Si se activa Df, el resultado se considera inconcluso.
Tal como explica Christopher Packham en Phys.org:
«Tras comunicar todos los bits, los investigadores pudieron reconstruir la imagen: un bitmap monocromo de un nudo chino. Los píxeles negros se definieron como lógica 0, mientras que los blancos se definieron como lógica 1…
En el experimento, la propia fase de la luz se convirtió en el portador de información, y la intensidad de la luz fue irrelevante para el experimento».
El equipo explica que esto no solo supone un gran avance para la comunicación cuántica: la tecnología también podría utilizarse para obtener imágenes de artefactos antiguos delicados que no podrían soportar la exposición directa a la luz.
Ahora, investigadores externos deberán verificar los resultados para asegurarse de que lo observado por los investigadores sea un verdadero ejemplo de comunicación cuántica contrafactual.
En cualquier caso, es una demostración impresionante de lo extraño y poco explorado que está el mundo cuántico.
La investigación se ha publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences.
