#HablemosDeCiencia con Fefo

Video de la sesión en vivo: https://youtube.com/live/BddeJwmIkmU

Participantes:

• Invitada especial: Malena Tejeda-Yeomans (Dra. en física teórica, investigadora de la Universidad de Colima)
• Luis Cruz
• Luis Javier Amador
• Fefo

Referencias:

• Enlace al artículo periodístico que motiva el tema: Stony Brook, Brookhaven Lab Researchers Demonstrate ‘Wireless’ Capability for Quantum Network

Introducción

Durante décadas, el entrelazamiento cuántico fue uno de esos fenómenos que parecían diseñados específicamente para recordarnos que la naturaleza no tiene obligación alguna de comportarse de acuerdo con nuestra intuición. Einstein desconfiaba profundamente de algunas de sus implicaciones y veía en ellas una señal de que nuestra descripción cuántica de la realidad quizá estaba incompleta.

Hoy, sin embargo, ya no hablamos únicamente del entrelazamiento como una rareza conceptual. Estamos aprendiendo a convertirlo en tecnología.

En el episodio 24 de Hablemos de Ciencia con Fefo, titulado “Entrelazamiento cuántico a grandes distancias”, conversamos sobre un avance experimental reciente que abre una ventana fascinante hacia el futuro de las comunicaciones cuánticas. Nuestra invitada, Malena, nos ayudó a entender qué significa entrelazar partículas, por qué es extraordinariamente difícil mantener ese entrelazamiento y cómo esta propiedad podría algún día cambiar la manera en que transmitimos información.

Pero, como suele suceder en el programa, antes de llegar al tema principal nos desviamos un poco. Y esta vez el desvío nos llevó nada menos que a la materia oscura.

¿Detectamos materia oscura? No. Pero encontramos algo interesante

La conversación comenzó con una noticia que había generado bastante entusiasmo: el experimento LUX-ZEPLIN (LZ) encontró en sus datos un evento que, al momento de la conversación, no podía explicar mediante los fondos conocidos del detector.

Eso no significa que se haya descubierto materia oscura.

Y esa distinción es fundamental.

Experimentos de esta naturaleza buscan interacciones extraordinariamente débiles. El verdadero reto consiste en aprender a distinguir una posible señal nueva de la enorme cantidad de fenómenos que pueden imitarla: radiación ambiental, procesos internos del detector y otras fuentes de ruido.

Por eso estos detectores operan bajo condiciones extraordinariamente controladas. En cierto sentido, buena parte del arte experimental consiste en aprender a detectar la nada para que, cuando aparezca algo, podamos preguntarnos seriamente si estamos frente a nueva física.

El evento reportado resulta interesante porque sobrevivió los filtros utilizados por la colaboración. Si se interpretara como una interacción de materia oscura, apuntaría hacia una partícula con una masa del orden de $200$ GeV, dentro del territorio general de las partículas masivas débilmente interactuantes.

¿Es materia oscura?

Probablemente no.

Pero precisamente ahí encontramos algo maravilloso acerca de la ciencia: nos entusiasma la posibilidad de que nuestras teorías fallen.

Queremos empujarlas hasta sus límites, encontrar algo que no funcione y descubrir por qué. Porque una anomalía que sobrevive al escrutinio puede convertirse en la puerta hacia una nueva comprensión de la naturaleza.

Incluso descubrir un nuevo tipo de ruido constituye progreso. La historia de la detección de ondas gravitacionales ofrece un magnífico ejemplo: durante décadas, aumentar la sensibilidad de los instrumentos significó también descubrir nuevas fuentes de ruido que debían comprenderse y eliminarse. Finalmente, esa perseverancia nos permitió abrir una ventana completamente nueva al universo.

Y después de este pequeño paseo por la materia oscura, llegamos al asunto central.

Fotones viajando por Long Island

En Long Island, Nueva York, se encuentran dos instituciones científicas importantes: Stony Brook University y Brookhaven National Laboratory. Separadas por alrededor de veinte kilómetros, recientemente participaron en una demostración tecnológica muy interesante: enviar por el aire fotones preparados en estados cuánticos entrelazados.

La importancia no está simplemente en transmitir luz a distancia. Eso lo hacemos todos los días.

La dificultad consiste en transmitir estados cuánticos preservando las propiedades que nos interesan.

El objetivo de estos desarrollos es construir redes en las que distintos nodos puedan intercambiar información cuántica sin depender exclusivamente de fibra óptica. El proyecto contempla ampliar progresivamente las distancias y conectar nuevos puntos, abriendo la posibilidad de desarrollar una auténtica red de comunicaciones cuánticas.

Para comprender por qué esto resulta tan difícil, primero necesitamos hablar del entrelazamiento.

¿Qué significa que dos partículas estén entrelazadas?

Imaginemos que preparamos conjuntamente dos fotones de tal manera que determinadas propiedades de ambos queden correlacionadas cuánticamente.

Después los separamos.

Uno puede viajar hacia un lugar y el otro hacia otro.

Pero el estado cuántico completo ya no puede describirse simplemente diciendo:

este fotón tiene su estado y aquel fotón tiene el suyo.

El sistema relevante es el estado conjunto de los dos.

Al medir ciertas propiedades de uno obtenemos información acerca de los resultados posibles de una medición sobre el otro. Esta característica no surge porque los fotones estén enviándose secretamente mensajes durante el experimento; está contenida en la propia estructura matemática del estado cuántico que preparamos. En el episodio se explicó de manera intuitiva diciendo que las propiedades de las partículas dejan de ser totalmente independientes porque fueron preparadas conjuntamente.

Y aquí aparece una de las características más desconcertantes de la mecánica cuántica.

Einstein y el problema de la localidad

Nuestra intuición física está profundamente ligada a la localidad.

Esperamos que lo que sucede aquí sea afectado directamente por aquello que se encuentra suficientemente cerca como para interactuar con nosotros. La física clásica y la relatividad están construidas alrededor de una noción muy fuerte de localidad.

El entrelazamiento cuántico introduce correlaciones que no pueden explicarse mediante una teoría clásica puramente local.

Esta fue precisamente una de las razones por las que Einstein consideraba que la mecánica cuántica, aunque extraordinariamente exitosa, podía no constituir una descripción completa de la realidad.

Décadas de experimentos nos han mostrado que esas correlaciones cuánticas son reales.

Pero aquí conviene detenernos ante una confusión frecuente: el entrelazamiento no permite enviar información más rápido que la luz. La no localidad de las correlaciones cuánticas no equivale a disponer de un teléfono instantáneo entre dos puntos arbitrariamente alejados del universo.

Lo que sí proporciona son recursos que no existen en la física clásica.

Y eso es precisamente lo que queremos explotar tecnológicamente.

El verdadero enemigo: el ambiente

Hay un problema enorme.

Los estados cuánticos son extraordinariamente delicados.

Cuando decimos coloquialmente que una “observación” altera un sistema cuántico, la palabra observación puede resultar engañosa. No necesitamos que aparezca una persona consciente mirando el experimento.

Una interacción con el ambiente es suficiente.

Una molécula, radiación, fluctuaciones térmicas o cualquier interacción capaz de correlacionarse con el sistema puede destruir las propiedades cuánticas que intentamos preservar.

Esta aclaración es importante también porque evita muchas interpretaciones pseudocientíficas de la mecánica cuántica en las que se atribuye algún papel físico especial a la conciencia humana. Como comentamos durante el programa, el “observador” de los libros de texto no tiene que ser una persona: el problema físico es la interacción.

Por eso enviar fotones entrelazados a través de kilómetros de atmósfera representa un desafío tecnológico formidable.

Óptica extraordinariamente precisa

La atmósfera no es un medio perfectamente transparente y homogéneo. Hay polvo, movimientos de aire, diferencias de temperatura y variaciones continuas en sus propiedades ópticas.

El experimento necesita entonces preparar la luz, enviarla y volver a recuperarla con enorme precisión.

Durante el programa, Malena explicó cómo tecnologías desarrolladas también para astronomía permiten manipular y corregir el haz de luz conforme atraviesa la atmósfera. La luz que originalmente sale de una fibra muy delgada puede expandirse enormemente mediante sistemas ópticos y después volver a concentrarse para introducirla en la fibra del receptor y realizar las mediciones correspondientes.

Es un magnífico ejemplo de cómo diferentes áreas de la ciencia terminan alimentándose mutuamente.

Una tecnología desarrollada para mirar estrellas puede terminar ayudándonos a construir una red cuántica.

¿Y para qué queremos una red cuántica?

Aquí comienza la parte que podría transformar nuestra vida cotidiana.

Gran parte de la seguridad digital actual depende de problemas matemáticos que son extraordinariamente difíciles de resolver con computadoras convencionales.

Por ejemplo, podemos multiplicar dos números primos enormes con relativa facilidad,$$p\times q=N,$$

pero si solamente conocemos $N$, recuperar $p$ y $q$ puede ser computacionalmente muy costoso cuando los números son suficientemente grandes.

Sobre asimetrías computacionales de este tipo se han construido importantes sistemas criptográficos.

Pero una computadora cuántica suficientemente potente podría cambiar radicalmente la situación. Algoritmos cuánticos permiten atacar ciertos problemas matemáticos de una manera cualitativamente distinta a la computación clásica. El episodio describe ese horizonte como el llamado “día Q”: el momento en que la tecnología cuántica alcance una capacidad suficiente para comprometer algunos métodos criptográficos utilizados actualmente.

Paradójicamente, la propia mecánica cuántica ofrece también nuevas herramientas para proteger la información.

Una comunicación en la que es posible descubrir al espía

Una propiedad especialmente atractiva de las comunicaciones cuánticas es que interceptar puede dejar huella.

Si una tercera persona intenta obtener información midiendo los estados cuánticos que utilizamos para establecer una comunicación segura, su intervención puede alterar las estadísticas observadas por los participantes legítimos.

No tenemos entonces simplemente una cerradura cada vez más difícil de abrir.

Tenemos, bajo protocolos adecuados, la posibilidad de detectar que alguien intentó mirar.

A esto se suma otro resultado fundamental de la teoría cuántica: el teorema de no clonación, que impide realizar una copia perfecta de un estado cuántico arbitrario desconocido.

No existe, como bromeamos durante el programa, el equivalente trivial del “CD pirata” para un estado cuántico desconocido.

Todo esto convierte a la mecánica cuántica en una candidata natural para desarrollar nuevas formas de comunicación segura.

De una rareza de laboratorio a una tecnología cotidiana

Quizá todo esto parezca demasiado lejano.

Pero tenemos una pésima capacidad para imaginar cómo una nueva tecnología puede modificar nuestra vida cuando todavía se encuentra en sus primeras etapas.

Pensemos en la electricidad.

O pensemos simplemente en 1985.

No había teléfonos inteligentes. Internet no formaba parte de la vida cotidiana. La manera en que trabajábamos, estudiábamos, comprábamos, conversábamos y obteníamos información era completamente distinta.

Unas pocas décadas fueron suficientes para transformar nuestra relación con el mundo.

Las tecnologías cuánticas podrían producir una transformación comparable. No sabemos todavía exactamente cuál será su forma final, pero experimentos como el discutido en este episodio nos muestran que algunas ideas que durante décadas pertenecieron fundamentalmente al terreno conceptual están comenzando a convertirse en infraestructura.

La tecnología no está en contra de nosotros

En la conversación surgió entonces una preocupación inevitable.

¿Y si toda esta tecnología termina utilizándose para hacernos daño?

La respuesta que propusimos fue cambiar ligeramente la pregunta.

La tecnología no va en contra de nosotros. Nosotros podemos utilizarla en contra de nosotros.

La electricidad puede iluminar un hospital o alimentar un arma. La inteligencia artificial puede utilizarse para ampliar capacidades humanas o para manipular personas. La tecnología cuántica no será diferente.

Una tecnología más poderosa aumenta nuestra capacidad de actuar. Si nuestras decisiones son buenas, puede amplificar sus beneficios. Si son malas, también puede aumentar nuestra capacidad para producir daño.

Por eso la discusión tecnológica nunca puede separarse completamente de la discusión ética. El problema no reside únicamente en qué podemos construir, sino en qué clase de sociedad tendrá acceso a aquello que construyamos y qué decidirá hacer con ello.

La ciencia moderna es una aventura colectiva

Hacia el final del programa apareció una pregunta particularmente interesante: ¿puede alguien que estudia informática involucrarse en estos temas?

La respuesta es un rotundo sí.

La imagen romántica del científico solitario que domina todos los aspectos de un problema describe cada vez peor la ciencia contemporánea.

Un proyecto como éste requiere especialistas en física cuántica, óptica, ingeniería, electrónica, telecomunicaciones, ciencia de datos, materiales, computación y muchas otras áreas.

Lo mismo ocurre con LIGO, con los grandes experimentos de física de partículas o con los detectores de materia oscura. Una persona puede comprender profundamente una pequeña parte del enorme rompecabezas sin dominar las demás. La ciencia de frontera funciona precisamente porque personas con conocimientos diferentes aprenden a trabajar juntas.

Y quizá ésta sea una de las lecciones más bonitas del episodio.

Del misterio al instrumento

Hace casi un siglo, el entrelazamiento cuántico ayudaba a alimentar uno de los debates intelectuales más profundos de la física: ¿qué nos está diciendo realmente la mecánica cuántica acerca de la realidad?

La pregunta sigue abierta en muchos sentidos.

Pero mientras continuamos discutiéndola, ocurrió algo extraordinario.

Aprendimos a producir esos estados.

Aprendimos a controlarlos.

Aprendimos a medirlos.

Ahora intentamos enviarlos a kilómetros de distancia sin destruirlos.

Y comenzamos a preguntarnos cómo utilizarlos para construir computadoras, sensores y redes de comunicación.

Tal vez dentro de algunas décadas una persona realice una operación bancaria protegida mediante tecnologías cuánticas sin tener la menor idea de qué es un estado entrelazado, del mismo modo que hoy utilizamos un teléfono celular sin resolver las ecuaciones de Maxwell.

Eso también es parte de la extraordinaria aventura de la ciencia: las ideas más extrañas acerca de cómo funciona la naturaleza pueden terminar convirtiéndose en herramientas perfectamente ordinarias de nuestra vida cotidiana.

Y apenas estamos comenzando.