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Los secretos de las ciencias para
los que también son de letras

¿Es posible la comunicación instantánea a través del universo?

O sea, no. ¿O sí? ¿O no? (La solución, al final).

Uno de los problemas con los que se encontrarían los hipotéticos martenautas y otros tripulantes en viajes espaciales de larga duración es que no solamente dejarían atrás a sus seres queridos, para siempre en el caso del aún naciente y no siempre bien ponderado proyecto de asentamiento permanente en Marte Mars One. Es que, además, en un mundo ahora dominado por la comunicación instantánea, ya sea por voz o texto escrito, los marciano-terrícolas ni siquiera podrían mantener una conversación decente con sus parientes de la madre patria. La distancia entre nuestro planeta y la isla más próxima en el océano cósmico varía brutalmente desde los 55 hasta los 400 millones de kilómetros, según, como expliqué en su día, si coincidimos en la misma porción de la pizza de nuestras órbitas o en cortes opuestos. En el mejor de los casos, suponiendo que los mensajes viajan a la velocidad de la luz, una sencilla cuenta nos dice que la comunicación tendría un retraso de como mínimo tres minutos, lo que descarta una conversación natural iniciada con cualquier fórmula de cortesía de las que se empleaban cuando aún existía la cortesía.

La velocidad de la luz es un límite físico. Por tanto, no se puede viajar más aprisa cubriendo la distancia entre ambos planetas. Pero ¿sería posible encontrar un atajo, es decir, no recorrer el trayecto completo? La idea suena aberrante. Pero la física cuántica es un campo donde las reglas de lo intuitivo se rompen para conseguir cosas como, por ejemplo, que un átomo esté intacto y desintegrado al mismo tiempo, o que las partículas puedan teletransportarse, o que una partícula pueda pasar por un aparato sin haber entrado ni salido jamás de él. El mundo cuántico es el País de las Maravillas de Alicia, donde quizá no todo sea posible, pero sí ciertas cosas que nunca creeríamos.

El concepto clave se denomina entrelazamiento cuántico. Consiste en que es posible crear dos (o más) partículas (en concreto, fotones) en lugares separados de modo que, por decirlo llanamente, cada una es la media naranja de la otra: sus estados cuánticos no son independientes sino que están vinculados, correspondiendo en realidad a un solo estado cuántico conjunto. Si se modifican las propiedades de una de las partículas, esto repercute en las de la compañera, ya que se comportan como un sistema unitario. ¿Cómo se produce esto? Einstein lo llamaba “espeluznante acción a distancia”, y es una de las particularidades de ese mundo cuántico donde las leyes de nuestra realidad cotidiana se hacen añicos.

El entrelazamiento cuántico es hoy un intenso campo de investigación por sus múltiples posibles aplicaciones en áreas como la computación cuántica, que reduciría los actuales ordenadores a la categoría de dinosaurios electrónicos. Sin embargo, para que la fotónica, la ciencia que estudia estos avances, llegue a convertirse en tal panacea –si es que alguna vez lo logra– queda un larguísimo camino por cubrir, y en investigación sí que deben recorrerse todas las escalas intermedias del viaje. Uno de los grandes obstáculos para sacar partido al entrelazamiento cuántico es conseguir que funcione más allá de un ámbito local en el que las partículas estén relativamente próximas. ¿Cómo de próximas? Pues relativamente, pero no en sentido coloquial, sino en el físico einsteniano. El genio bigotudo fue quien levantó las tapias que ponen límites de distancia a esta casi mágica sincronía de los fotones. ¿Significa que debemos abandonar toda esperanza de llevar el entrelazamiento cuántico más allá de las paredes del laboratorio? Quizá conviene recordar lo que Sir Isaac Newton escribió acerca de la posibilidad de la acción a distancia, en este caso referida a la gravedad que él mismo formularía: “un absurdo tan grande que no creo que ningún hombre que tenga una facultad competente de pensamiento en materias filosóficas pueda jamás caer en ello”.

Situación de Alice, Bob y Charlie en el experimento de entrelazamiento cuántico realizado en la Universidad de Waterloo.

Situación de Alice, Bob y Charlie en el experimento de entrelazamiento cuántico realizado en la Universidad de Waterloo.

De hecho, la restricción de la localidad ha quedado superada gracias a un experimento publicado recientemente en la revista Nature Photonics. Un equipo internacional de investigadores, dirigido por el Instituto de Computación Cuántica y el Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de Waterloo (Canadá), ha logrado por primera vez el entrelazamiento cuántico de tres partículas rompiendo la barrera de la localidad. Las ubicaciones de los fotones, que según la nomenclatura clásica en estos experimentos se denominan Alice, Bob y Charlie (mucho mejor que A, B y C), estaban separadas por unos 700 metros. Así, los fotones se generaron en Alice, y dos de ellos fueron respectivamente transmitidos a sendos tráilers en Bob y Charlie, dos lugares del campus de la Universidad.

El logro de los investigadores de Waterloo despeja la pista hacia el futuro de la comunicación cuántica a varias bandas. Según el autor principal del estudio, Chris Erven, “este es el primer experimento en el que ahora puedes imaginar una red de personas conectadas de diferentes maneras usando las correlaciones entre tres o más fotones”.

Pero una vez demostrada esta prueba de principio, si es que lo es, aún habría que superar innumerables obstáculos tecnológicos. Dos ingenieros chinos, Pingyuan Cui y Zhengshi Yu, de la Escuela de Ingeniería Aeroespacial del Instituto Tecnológico de Pekín, acaban de escribir un estudio, aún sin publicar, en el que proponen un sistema de comunicación cuántica para el espacio profundo. China es una potencia espacial que mantiene el objetivo de enviar misiones tripuladas a destinos interplanetarios en un futuro próximo, por lo que puede tener un especial interés en ofrecer a sus taikonautas (astronautas chinos) la calidez de una comunicación natural con su planeta, algo que a los robots de la NASA y de la Agencia Europea del Espacio (ESA) no debe de preocuparles gran cosa.

Madrid Deep Space Communication Complex, Red del Espacio Profundo, en Robledo de Chavela. ©PromoMadrid, autor Max Alexander.

Madrid Deep Space Communication Complex, Red del Espacio Profundo, en Robledo de Chavela. ©PromoMadrid, autor Max Alexander.

Actualmente, las comunicaciones y el control de navegación de las misiones interplanetarias dependen sobre todo de la llamada Red del Espacio Profundo (DSN, por sus siglas en inglés), gestionada por la NASA y compuesta por tres complejos de antenas situados en Camberra (Australia), Goldstone (California) y Robledo de Chavela (Madrid), ubicaciones que permiten cubrir toda la cintura terrestre. Cui y Yu proponen un nuevo sistema cuántico que ofrezca “comunicación en tiempo real, eficiencia y capacidad de canales”, resume Cui a Ciencias Mixtas. El ingeniero apunta que, en experimentos de teleportación de partículas, “la distancia de la comunicación cuántica en la atmósfera se ha incrementado a más de cien kilómetros“, y que “sin atmósfera en el entrelazamiento, el vacío del espacio profundo puede mejorar la distancia y calidad de las comunicaciones cuánticas”.

Para el caso de Marte, los ingenieros chinos sugieren un complejo de relés integrado por dos satélites, en órbita respectivamente alrededor de la Tierra y el planeta vecino, y una sonda en el espacio profundo; este conjunto de dispositivos pondría en comunicación los sistemas en la superficie de ambos planetas. Sin embargo, Cui reconoce: “todavía no disponemos de la tecnología suficiente para realizar nuestra idea”. “Las cuestiones más urgentes son el entrelazamiento cuántico a distancias muy largas y la implementación de servicios QKD [distribución de claves cuánticas, que garantizan la seguridad de las comunicaciones mediante sistemas criptográficos]”. El ingeniero confía en que los avances en los próximos años superen estos obstáculos: “Con el rápido desarrollo de la física cuántica tanto a nivel teórico como tecnológico, pensamos que estos problemas se resoverán en un futuro cercano”.

Con todo lo anterior, ¿quedamos entonces en que es factible, y que únicamente nos enfrentamos a un reto de ingeniería? Aquí viene la mala noticia: una cosa es que el entrelazamiento cuántico a distancia sea posible, y otra muy diferente que permita la transmisión de información a velocidad superior a la de la luz. Por desgracia, los físicos están de acuerdo en algo llamado Teorema de No-Comunicación. Y, al contrario que otros principios físicos de enrevesadas denominaciones, este es bastante claro en sus intenciones. El teorema viene a expresar que la transmisión de información entre los observadores de ambas partículas entrelazadas es imposible sin que exista al mismo tiempo una comunicación convencional; es decir, lenta. En cuántica el concepto del observador es crucial, ya que su simple contemplación del sistema (técnicamente, una medición) altera el estado de este. Los observadores no saben cuál es el estado de sus partículas (y podríamos decir que, según la física cuántica, ni las propias partículas lo saben) hasta que las observan. Por explicarlo de forma simple, si se observa la partícula en Alice, este acto modificaría la partícula en Bob, pero tal efecto solo podría ser apreciado si el observador de Bob estuviera al tanto de la causa (y la relación causa-efecto nunca viaja más rápido que la luz); en otras palabras, para que el observador de Bob supiera cuándo observar su partícula, tendría que recibir una llamada del observador de Alice. Si esta no se produce, no hay transmisión de información. Y si ambos observadores necesitan comunicarse por la vía clásica, ¿por qué no aprovechar ya y contarse lo que sea?

En resumen: aunque no es lo que más nos complazca, el País de las Maravillas también tiene sus límites. Y hasta ahora no ha habido decreto que pueda enmendar la norma más fundamental de su código de circulación: prohibido viajar más rápido que la luz.

(Una curiosidad: en mi novela Tulipanes de Marte tuve la tentación de incorporar la comunicación cuántica para eliminar la interferencia del retraso. Finalmente preferí no saltarme los principios de la física, lo que, casi de forma casual, me abrió la puerta a la opción de explorar un recurso narrativo mucho más jugoso).

9 comentarios

  1. Dice ser Chus

    Interesante post, sin duda. En general me encanta tu blog, y ya que escribo el primer comentario aprovecho a decirlo ;o)

    El tema del entrelazamiento cuántico, como tantas otras cosas, aún tiene mucho por descubrir y más preguntas por responder que irán surgiendo en el futuro, con lo que me parece aventurado asegurar que algo será o no será posible.
    En principio es cierto que el simple hecho de la observación cambia el comportamiento de la partícula. Pero si ya estoy observando la partícula y esta cambia su estado o su espín en teoría es algo que podré medir. Y eso sucede si se provoca en la partícula o conjunto de partículas entrelazadas. Si esos cambios siguen algún tipo de código preestablecido (que obviamente ya deben conocer las dos partes implicadas en la comunicación), tendríamos forma de enviar y recibir un mensaje.
    A priori parece que se viola el principio de la velocidad de la luz, pero no tiene por que ser así. ¿Y si las partículas están conectadas por micro-agujeros de gusano? Explicaría la aparente comunicación instantánea sin violar el principio universal de la velocidad de la luz. La información no viajaría más rápido, sino que recorrería un espacio muchísimo menor en términos relativos. Y no es una paja mental mía, es una de las hipótesis que hay para explicar el entrelazamiento cuántico. Nótese que uso la palabra hipótesis, no teoría. Por otra parte, si hay algún científico trabajando ya en intentar un sistema de comunicación basado en esto es porque de alguna manera lo ve posible.

    En fin, los próximos años nos traerán respuestas y, sospecho, muchas más preguntas.

    Un saludo.

    06 Mayo 2014 | 10:53

  2. Dice ser ANTONIO LARROSA

    Ciertamente las ciencias adelantan una barbaridad y son pocas las personas que saben como funciona un simple teléfono móvil que es una emisora de imágenes en color, imágenes que grava, y que se capta por una minúscula cámara que en otros tiempos de varios kilos y grandes dimensiones , así que con este ejemplo nos damos cuenta de que estamos atrasados en nuestro pais al menos treinta años , y que mientras más recorten en investigación y mas roben en el dinero para readaptación de los obreros a las nuevas técnicas, más atrasados estaremos y llegará el día en que nada de lo que tenemos para vivir este desfasado y no seremos nada en el ámbito comercial e industrial del planeta.

    Clica sobre mi nombre

    06 Mayo 2014 | 11:07

  3. ciencias-mixtas

    Gracias, Chus. No suelo responder a los comentarios porque en general hay poco a lo que responder, así que a mí también me encanta recibir comentarios constructivos e interesantes como el tuyo. Respecto a tus aportaciones, el problema es que hoy no hay muchos físicos dispuestos a rebelarse contra el teorema de no-comunicación, pero tienes razón al sugerir que, precisamente en ciencia, nada es inmutable. Al fin y al cabo, por muy sacralizada que esté hoy la figura de Einstein, fenómenos como el entrelazamiento (QE) han rescatado la visión de Bohr que en su día quedó aplastada bajo el fenómeno Einstein. En cuanto a lo que sugieres, un problema es que el QE (aún) es muy frágil, y es difícil no romperlo. Por ejemplo, la medición destruye el QE, por lo que hasta ahora no ha sido posible realizar una medición continua ni una puntual manteniendo el estado. Hay indicios interesantes, como este, en el que se propone que, aunque no el QE, pero sí su “memoria”, podría sobrevivir a la medición, lo que abriría la posibilidad de rescatar información después de romper el QE. Como dices, aún veremos muchos avances en este campo que nos sorprenderán.

    Un saludo, jy

    06 Mayo 2014 | 11:43

  4. ciencias-mixtas

    En mi respuesta anterior se perdió el enlace al que me refería:
    http://www.scientificamerican.com/article/quantum-entanglement/

    06 Mayo 2014 | 11:46

  5. Dice ser Sicoloco Del Castin De Foolyou

    La física cuantica es una estafa porque es una fábrica de clones.no es que las cosas se desplacen de un sitio a otro sino que se hace una copia en otro sitio.por ejemplo si tu te quisieras teletransportár a dos o tres planetas distintos habria un yo tuyo en cada uno de ellos.habria dos o tres yos tuyos en el universo a no ser que mataran al molde origen de la copia,osea un cuento chino.

    06 Mayo 2014 | 12:55

  6. Dice ser Chus

    Vaya, gracias por la respuesta, J, y por el enlace. Es muy interesante y trataré de echarlo un ojo con más detenimiento, aunque desoxidar mi inglés para algo como esto va a ser duro, jejeje.

    Desconocía (o no recordaba) que al observar la partícula se rompía el entrelazamiento. No me sorprende, no obstante. Hay una enorme cantidad de pegas para su utilización práctica como medio de comunicación y algunas parecen insalvables, pero estoy seguro de que los próximos años nos van a sorprender con muchas cosas, sobre esto y sobre otros temas.

    Me temo que mis conocimientos científicos son más bien del tipo limitado y puedo decir a veces alguna aberración, pero eso no quita que la ciencia me resulte… Fascinante, como diría el señor Spok.

    Un saludo.

    06 Mayo 2014 | 14:18

  7. Dice ser Emilio Molina

    Si no ando muy equivocado, cualquier interferencia de una partícula con cualquier otra cosa (desde otras partículas hasta el propio “vacío”) suele cargarse su estado de decoherencia y, con él, todas sus propiedades cuánticas, colapsando su estado.

    Aparte de eso, el problema de la comunicación mediante la medición de partículas entrelazadas también estriba en que dicha medición se hace sobre un elemento aleatorio, y cualquiera de las mediciones entre el punto A y B podría haber sido la primera. Por ejemplo, si mides tu partícula y encuentras un valor (por decir algo que me acabo de inventar) de 32º en un ángulo de fase, aunque hubieras quedado con tu compañero en que valores pares son 0 e impares 1, ¿cómo sabes que eres tú quien ha colapsado la onda y no tu compañero quien la ha colapsado y tú estás leyendo su valor? Además, ¿cómo haces para colapsarla en el valor que te interesa transmitir? Igual querías haber transmitido un 1, pero te ha “salido” ese valor.

    En definitiva, que como bien dice el artículo (enhorabuena por el blog, por cierto), la comunicación cuántica instantánea de momento no tiene fundamento teórico tampoco.

    06 Mayo 2014 | 16:23

  8. Dice ser Emilio Molina

    Quise decir “de coherencia”.

    06 Mayo 2014 | 16:26

  9. ciencias-mixtas

    Emilio, aciertas en todo lo que comentas, esos son los grandes problemas de muy difícil solución (imposible según muchos físicos). Experimentalmente lo que mencionas sobre la relación de causalidad se ha hecho sencillamente utilizando relojes extremadamente precisos y después comparando las mediciones. Esto puede hacerse incluso en condiciones de no localidad, pero obviamente no podría hacerse si los fotones entrelazados estuvieran separados por distancias cósmicas.

    Un saludo, jy

    06 Mayo 2014 | 18:14

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