TOMA LA PALABRA...

... Marià Baig

En otoño del año 1927 se celebró en Bruselas el Congreso Solvay. Hoy en día recordamos este congreso por ser el escenario de las discusiones entre tres gigantes de la física del siglo XX: Albert Einstein, Niels Bohr y Werner Heisenberg.

Información cuántica

Eran los años de desarrollo de la nueva teoría cuántica. Poco a poco se llegaba al convencimiento de que las predicciones de la mecánica cuántica debían ser probabilísticas. Einstein lo consideraba del todo inaceptable. Además, Heisenberg acababa de formular sus relaciones de incertidumbre las cuales, por ejemplo, afirman que no es posible medir simultáneamente la posición y la velocidad de una partícula con precisión absoluta. Heisenberg recuerda al respecto: "Einstein intentó incansablemente refutar durante el congreso las relaciones de incertidumbre basándose en contraejemplos, formulados en la forma de experimentos mentales. Todos residíamos en el mismo hotel, y no era raro que ya en el desayuno nos trajera Einstein una de estas propuestas, que había que pasar a analizar. [...] A lo largo del día discutíamos Bohr, Pauli y yo el ejemplo de Einstein, con lo cual a la hora de la cena ya estábamos en condiciones de demostrar que el experimento teórico de Einstein concordaba con las relaciones de incertidumbre y no podía ser utilizado para refutarlas".

La culminación de los esfuerzos creadores de Schrödinger, Heisenberg y Dirac fue la interpretación de Copenhaguen, una formulación matemáticamente coherente de la mecánica cuántica, pero que se rodeó de un cierto halo de misterio. Si de una parte Einstein se oponía decididamente a ella por considerara incompleta, por otra su aplicación conducía a intrigantes paradojas como la del gato de Schrödinger o la paradoja de Einstein, Podolski y Rosen, que ponía de manifiesto una incompatibilidad de la mecánica cuántica con principios tan básicos de la física como la causalidad o la realidad. Como alternativa a la mecánica cuántica, surgieron una serie de teorías que conocemos como teorías de variables ocultas, cuya pretensión era que si se pudiesen conocer los valores de estas variables "extra" todo quedaría bien determinado y no habría lugar para incertidumbres ni resultados probabilísticos.

A partir de la segunda guerra mundial el desarrollo de la física nuclear y de partículas elementales, con la construcción de los grandes aceleradores de partículas, situó a la mecánica cuántica en un segundo plano. La teoría cuántica de campos, a pesar de fundarse en la mecánica cuántica, seguía un desarrollo independiente y cubría perfectamente las necesidades de los experimentos del mundo subatómico basados casi exclusivamente en el estudio de las colisiones. La mecánica cuántica, aunque necesaria, era considerada en aquellos momentos como una cuestión secundaria para el progreso de la física.

A pesar de esta falta generalizada de interés por los fundamentos de la mecánica cuántica, en la década de los años 60 un físico del CERN (Ginebra), John Bell, propició un cambio radical en esta apreciación. Bell se apercibió de que la hipótesis de la existencia de variables ocultas llevaba a predicciones distintas de las obtenidas mediante la aplicación de la mecánica cuántica. Se podía, por tanto, pensar en la realización de experimentos que pudieran distinguir cuál de las dos teorías es la correcta. Se trata de las desigualdades de Bell que llevaban las cuestiones sobre los fundamentos de la mecánica cuántica del campo de la especulación filosófica a la realidad física del laboratorio.

No fue, sin embargo, hasta la década de los 80 que la tecnología fue capaz de llevar a cabo estos experimentos. Alain Aspect, en Orsay (Francia), comprobó por vez primera que los experimentos sobre las desigualdades de Bell decantaban la balanza a favor de la mecánica cuántica. A partir de este momento, los experimentos imaginarios que habían usado Einstein o Heisenberg para argumentar sus opiniones estaban al alcance de los experimentos reales. Como consecuencia, la década de los 90 ha vivido la explosión de este nuevo campo en el que se han realizado experimentos tan fascinantes que han despertado el interés popular: "L'expériencie qui cointredit Einstein", así titulaba en portada, en su número de enero de 1998, la revista Science et Vie un artículo sobre el experimento de teleportación realizado por Nicolas Gisin y su equipo de la Universidad de Ginebra.

La clave de todos estos fenómenos reside en el concepto de estado cuántico. Resulta perfectamente posible que dos o más partículas constituyan un único estado cuántico. Sin perturbaciones exteriores, aunque las dos partículas se separen siguen formando un estado cuántico y cualquier operación que se haga sobre una de ellas puede afectar también a la segunda, ¡aunque esté a varios kilómetros de distáncia!. Dado que este efecto es instantáneo, parece haber una flagrante contradicción con la relatividad de Einstein (que no permite que las señales vayan mas deprisa que la velocidad de la luz). ¿Cómo se comprende este hecho? La respuesta reside en el concepto de información. No importa que haya algún efecto superlumínico si no se transmite información mediante el mismo. Los experimentos de teleportación, que se basan en una pareja de partículas para transportar un estado cuántico de un lugar a otro mediante la interacción de una de las partículas con el objeto a transportar y su reconstrucción a partir de la segunda, necesitan un canal clásico de comunicación para poder realizar esta materialización, no violándose en ningún momento la relatividad de Einstein.

Todos estos experimentos, aunque confirman de forma espectacular las predicciones de la mecánica cuántica, no pasarían de ser una curiosidad académica si no fuera que al mismo tiempo nos introducen en una nueva revolución tecnológica. El físico y premio Nobel americano Richard Feynman a principios de los 80 se anticipó ya a lo que se está desarrollando en estos últimos años. Feynman, poco amante de la filosofía y de carácter emimentemente pragmático, opinaba que dado que estamos entrando en un escenario en el cual los efectos cuánticos modifican (o incluso llegan a imposibilitar) el funcionamiento estándar de los sistemas físicos, debemos pensar en la mecánica cuántica no como una limitación sino como una nueva herramienta que debemos aprovechar. En otras palabras, se trata de aprender diseñar nuevos sistemas basados en las características de los fenómenos cuánticos para, por ejemplo, almacenar, procesar o transmitir información con el objetivo de conseguir eficiencias muy superiores a los dispositivos clásicos.

El mismo Feynman era consciente de la existencia de un campo activo de investigación en el que la aplicación a corto plazo de la mecánica cuántica seria no sólo posible sino muy deseable: los ordenadores y la computación. En efecto, extrapolando el ritmo actual de miniaturización de los componentes y circuitos electrónicos, hacia el año 2020 los dispositivos deberán ser de escala atómica... y a escala atómica las leyes de la física clásica dejan de ser válidas y la mecánica cuántica es la que entra en escena.

El equivalente cuántico del bit es el qubit. Mientras que un bit es un dispositivo que puede estar en uno de dos estados (por ejemplo cero o uno), un qubit puede estar en cualquier superposición de los dos estados. Es una manifestación del principio de superposición de la mecánica cuántica y en él reside la potencial capacidad de un ordenador cuántico. Si se consiguiese su construcción, deberían revisarse todos los protocolos de seguridad y confidencialidad que se usan hoy en día en las redes de ordenadores y que son imprescindibles para el desarrollo del comercio electrónico, la banca a distancia o el procesamiento de datos fiscales. Por ejemplo, los protocolos de encriptación usados por los navegadores de Internet se basan en la dificultad de factorizar números grandes (protocolo RSA). Mientras que todos los algoritmos aplicables actualmente consiguen la factorización en un tiempo que crece exponencialmente con el número de dígitos (y en esto se basa su indescifrabilidad) un ordenador cuántico lo haría en un tiempo creciente sólo polinomicamente con el número de dígitos.

En resumen, estamos asistiendo a un momento crucial en el desarrollo de la mecánica cuántica. Los experimentos que se realizan no solamente contribuyen a la comprensión de las viejas paradojas cuánticas, confirmando la validez de la mecánica cuántica, sino que ha surgido todo un nuevo campo que conocemos por información cuántica que engloba aspectos como la comprensión, cuantificación y procesado de la información y sus aplicaciones a los sistemas de comunicación y encriptación usando estados cuánticos.

Autor: Marià Baig, profesor de física y miembro del Grup d'Informació Quántica (GIQ) en la Universidad Au | 2001