La física detrás de la teleportación cuántica: ¿es posible?

La teleportación es un fenómeno teórico hasta ahora que permite trasladar un objeto real de un lugar a otro de manera instantánea, sin necesidad de atravesar el espacio físico. La teleportación cuántica, entre tanto, consiste en transportar información de una partícula cuántica a otra que está suficientemente alejada, mediante un canal convencional.

Dicho de una manera más coloquial, la teleportación vendría a ser un fenómeno en el cual hay un objeto que está en un lugar y luego “aparece” en otro, en tiempo real. Esto pertenece al mundo de la ciencia ficción. Sin embargo, el universo cuántico funciona con otra lógica y en este terreno sí se ha conseguido la teleportación efectiva entre partículas cuánticas. Veamos esto con más detalle.

Conceptos básicos

Para entender cómo funciona la teleportación cuántica, es necesario conocer algunos conceptos básicos como los siguientes.

Fotones y dualidad onda-partícula

Los fotones son las partículas elementales o básicas de la luz y de la radiación electromagnética en general. No tienen masa y transportan energía. Una de sus propiedades más fascinantes es la dualidad onda-partícula, lo cual significa que pueden comportarse tanto como partículas discretas como ondas continuas.

Esto quiere decir que pueden actuar como un “paquete de energía” (partículas discretas). Por ejemplo, haciendo una analogía, como una piedra que se lanza a un lago. Al mismo tiempo, pueden actuar como ondas extendidas (ondas continuas); en la analogía, serían las ondas del lago. Estas propiedades desafían la física convencional.

Cúbits

El cúbit es la unidad básica de información en la computación cuántica. Los bits clásicos solo pueden estar en los estados 0 o 1, mientras que los cúbits pueden existir en ambos estados simultáneamente. Así mismo, los cúbits tienen una existencia física, ya que están compuestos de dispositivos como superconductores, trampas de iones o semiconductores.

Entrelazamiento cuántico

Este es un fenómeno, que no tiene equivalente en la física clásica. Tiene lugar cuando dos o más partículas comparten un estado común. Por lo tanto, el estado de una partícula afecta instantáneamente al estado de la otra, sin importar la distancia que las separe. Es una de las bases fundamentales de la teleportación cuántica.

La teleportación cuántica

Un grupo de investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) en Barcelona (España) lograron un hito impresionante: teletransportar un fotón a un cúbit de estado sólido situado a un kilómetro de distancia. Este logro reafirma principios fundamentales de la mecánica cuántica y abre la puerta a aplicaciones revolucionarias en tecnologías de información y comunicación.

El logro del ICFO consistió en utilizar dos fotones entrelazados para transferir información de manera instantánea a un cúbit físico. El experimento también incluyó el uso de memorias cuánticas multiplexadas. Estas son dispositivos especializados que almacenan información cuántica con una eficiencia y precisión impresionantes.

Un aspecto fundamental de este experimento fue la utilización de enlaces de fibra óptica para transferir uno de los fotones entrelazados a su destino. Esto demuestra que la infraestructura actual de telecomunicaciones puede ser adaptada para servir de soporte a las redes cuánticas en el futuro.

Principios Clave

• Entrelazamiento Cuántico: Este fenómeno ocurre cuando dos partículas se crean juntas y se vuelven dependientes entre sí. Si se mide el estado de una de las partículas, se determina instantáneamente el estado de la otra, independientemente de la distancia que las separe.
• Medición Cuántica: En la teleportación cuántica, la medición de una de las partículas entrelazadas colapsa su estado cuántico. Esta medición se utiliza para enviar información sobre el estado de otra partícula que se desea teletransportar.
• Comunicación Clásica: Aunque el estado cuántico se puede transferir, la información sobre cómo recrear ese estado en la partícula de destino debe enviarse a través de un canal de comunicación clásico, lo que significa que la teleportación no es instantánea y está sujeta a las limitaciones de la velocidad de la luz.

Proceso de Teleportación Cuántica

El proceso de teleportación cuántica se puede resumir en tres pasos:

• Entrelazamiento: Se preparan dos partículas en un estado de entrelazamiento cuántico. Una de estas partículas se enviará a la ubicación del receptor.
• Medición: El emisor mide el estado de la partícula que desea teletransportar e inmediatamente realiza una medición de la partícula entrelazada. Esta medición afecta el estado de la partícula entrelazada en la ubicación del receptor.
• Reconstrucción: Al enviar la información clásica sobre la medición realizada, el receptor puede aplicar una operación cuántica para recrear el estado original de la partícula teletransportada.

Las limitaciones actuales

Aunque el experimento del ICFO representa un avance sin precedentes, la teleportación cuántica todavía enfrenta varios obstáculos técnicos. El primero de ellos es la escalabilidad. Aún no existe la manera de aumentar la distancia y la cantidad de información transferida sin perder precisión.

De igual manera, actualmente no es posible garantizar que el entrelazamiento cuántico se mantenga estable durante la transferencia. A esto se suma el problema de los costos. Aunque la utilización de fibra óptica convencional es prometedora, las memorias cuánticas y otros dispositivos necesarios todavía son muy costosos y difíciles de producir.

De cualquier modo, avances recientes como el experimento del ICFO demuestran que estamos más cerca de transferir información de manera instantánea, segura y eficiente. Este logro redefine el esquema de la comunicación y abre un abanico de posibilidades para la computación cuántica y las redes del mañana.

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