Entradas etiquetadas como ‘fotónica’

¿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).

Los físicos consiguen parar la luz; así, tal cual

A primera pensada, diríase que parar la luz es un problema trivial: basta con una sombrilla. Pero lo cierto es que ese objeto –como cualquier otro– no detiene la luz, sino que la desvía. El hecho de que la sombrilla sea visible a nuestros ojos se debe precisamente a que una parte de la luz, la que rebota, envía rayos que estimulan los receptores de nuestra retina, unas neuronas especiales llamadas bastones y conos, y estas convierten la señal luminosa en un impulso electroquímico que cabalga por el nervio óptico hasta nuestro cerebro.

La luz es infatigable; nunca se detiene, sino que rebota frenéticamente a nuestro alrededor desde la sombrilla a otros cuerpos como en una vertiginosa máquina de pinball. Algo de lo que casi todo el mundo es consciente, sepa de ciencia o no, es que la luz se mueve tremendamente deprisa. De hecho, y al menos hasta la fecha presente, nada ha viajado más rápido. Medida en el vacío, la luz avanza a 299.792.458 metros por segundo, un valor constante de la física universal que se denota con la letra “c” y que en la famosa ecuación de Einstein convierte la materia en energía. En términos más pantufleros, la velocidad de la luz es de algo más de 1.000 millones de kilómetros por hora.

Sin embargo, no toda la luz que incide en la sombrilla rebota, o se refleja; una parte de ella se queda. Si la sombrilla es roja, significa que únicamente refleja la luz de ese color, y absorbe el resto. Pero ¿qué ocurre con los colores absorbidos? ¿La sombrilla los detiene? Tampoco en este caso es así. Cuando un objeto absorbe luz, esta se destruye como tal: la energía de sus fotones se transfiere a los electrones de la materia, y el resultado de esta conversión es que la sombrilla se calienta, más cuanta más luz absorbe, lo que sucede cuanto más oscura es. En el ojo, según lo explicado, la luz se transforma en una señal eléctrica y química. Algo similar ocurre en la hoja de una planta, donde la clorofila refleja el verde y absorbe los rojos y azules. La energía de la luz dispara una cadena de saltos de electrones que desembocan en la excreción de un producto de desecho llamado oxígeno; es lo que conocemos como fotosíntesis, una maravilla de la naturaleza que nos permite respirar.

Así pues, parar la luz suena a poco más que metáfora de poema cursi, como atesorar un rayo de luna, enjaular un amanecer o agarrar un suspiro. Y sin embargo, el concepto real de detener y almacenar la luz es una meta que los físicos persiguen no solo como proeza técnica, sino por sus previsibles aplicaciones prácticas, como la posibilidad de cosechar la luz para aumentar la eficiencia de los paneles solares, o la mejora de dispositivos como nanoláseres y biosensores, o incluso la creación de nuevos sistemas de telecomunicaciones radicalmente alternativos a los actuales.

Sin embargo, hasta ahora los físicos se han encontrado con el problema de que, al tratar de detener la luz, su información puede conservarse, pero ya no es luz. El pasado año, un equipo de científicos de la Universidad Técnica de Darmstadt, en Alemania, empleó un método llamado Transparencia Inducida Electromagnéticamente (TIE) para detener la luz durante un larguísimo minuto y luego reactivarla. La técnica consistía muy básicamente en conseguir que un cristal se volviera temporalmente transparente a ciertas frecuencias. Sin embargo, lo que lograba este proceso era más bien almacenar la información de la luz en una propiedad de los electrones de los átomos llamada espín. Otra dificultad añadida es que parte de la luz se dispersa y que, además, estos procedimientos requieren condiciones raras para un uso práctico, como temperaturas gélidas.

Esquema del sistema utilizado para guiar y detener los pulsos de luz. K. L. Tsakmakidis et al., Phys. Rev. Lett. (2014).

Esquema del sistema utilizado para guiar y detener los pulsos de luz. K. L. Tsakmakidis et al., Phys. Rev. Lett. (2014).

Ahora, físicos del Imperial College de Londres y de la Universidad de California en Berkeley (EE. UU.) dicen saber cómo hacerlo. Los investigadores han demostrado teóricamente que pueden atrapar y detener la luz empleando como trampa una especie de alargado canapé formado por una tira de silicio entre dos finas rebanadas de metal. Este peculiar sándwich, técnicamente conocido como guía de onda plasmónica, consigue que la luz se comporte de forma exótica, obligándola a retroceder, frenándola y embridándola hasta parar los fotones en seco.

“Queríamos resolver este difícil problema: ¿cómo diseñar una estructura práctica que permita una deceleración extrema de la luz y su posterior localización sin las trabas de los mecanismos reales como las pérdidas y la aspereza de la superficie, que casi siempre impiden una verdadera parada de la luz?”, plantea el director del estudio publicado en la revista Physical Review Letters, Ortwin Hess. “Hemos estado trabajando en este problema durante más de seis años”, señala. “Esto es lo que hemos conseguido resolver: hemos encontrado una configuración sorprendentemente simple, una heteroestructura metal-dieléctrico-metal, ampliamente utilizada en nanoelectrónica y nanofotónica, que localiza y detiene por completo una secuencia de pulsos de luz, incluso en presencia de todos estos fenómenos de la vida real”, explica Hess.

El primer autor del estudio, Kosmas Tsakmakidis, revela la clave del éxito de su procedimiento, que ha funcionado en rigurosas simulaciones de ondas: “Encontramos la manera de excitar limpiamente un tipo especial de modo de luz guiada en esta estructura que resulta ser notablemente resistente a las pérdidas y a los efectos de la aspereza de la superficie”. Así, los investigadores logran que el proceso de frenado se lleve a cabo sin pérdidas y sin que los fotones dejen de ser tales. En palabras de Hess, “esto es lo que llamamos verdadera parada de la luz, ya que ahora, a diferencia de previos abordajes que mapeaban los pulsos de luz en excitaciones estacionarias de espines atómicos, tenemos los propios fotones inmovilizados. Esto es extremadamente difícil de lograr y, que sepamos, es la primera vez que se demuestra”.

Los físicos trabajan ahora en el perfeccionamiento del sistema para aumentar el tiempo de parada de cara a las posibles aplicaciones de la estructura. Según Hess, “la luz ultralenta y parada en estructuras tan simples puede ofrecer células solares fotovoltaicas más eficientes en absorción de luz. A un nivel más fundamental, esperamos que permita conseguir fuentes de fotón único más eficientes”, un tipo de problema técnico con enormes aplicaciones en campos como la computación cuántica.