La mecánica cuántica a veces parece una mezcla variada de cosas extrañas. Hay una dualidad onda-partícula, donde los objetos cuánticos a veces parecen pequeñas partículas compactas y a veces como ondas extendidas. Existe la superposición, donde el objeto parece ser dos cosas a la vez. Existe el principio de incertidumbre, que dice que el universo parece conspirar para evitar que conozcamos todos los detalles de un objeto cuántico.
Y luego está el entrelazamiento. Albert Einstein lo describió famosamente como una acción espeluznante a distancia, donde hacer algo a una de las partículas entrelazadas parece afectar instantáneamente las propiedades de la otra, sin importar lo lejos que esté.
La verdad es que ninguna de estas descripciones de los fenómenos cuánticos es completamente correcta. Todas son simplemente esfuerzos para utilizar nuestro lenguaje cotidiano para hablar de cosas que no se pueden describir completamente con él.
Esto es especialmente cierto para el entrelazamiento, que no es una acción espeluznante a distancia en absoluto. Es algo que es difícil de describir con nuestra intuición cotidiana, pero vale la pena intentar comprenderlo porque, como dijo Erwin Schrödinger, es la característica distintiva de la mecánica cuántica que marca su completa desviación de las líneas clásicas del pensamiento.
Además, el entrelazamiento es el ingrediente clave de las nuevas tecnologías de las que cada vez escuchamos más: superpotentes computadoras cuánticas y codificación de datos incorruptibles mediante criptografía cuántica. Está a punto de volverse muy real para todos.
¿Qué es el entrelazamiento cuántico?
El entrelazamiento suena algo parecido a parejas de personas enredadas. Si Alicia y Bob se casan, se vuelven literalmente entrelazados al atarse a un nudo. Supongamos que luego Bob muere trágicamente. Alicia pasa de ser una esposa a ser una viuda. Lo que le sucede a Bob también cambia el estado de Alicia. Pero lo que el entrelazamiento significa para las partículas cuánticas es mucho más extraño que esto, y aquí está el porqué.
Imaginemos las partículas o electrones, que tienen una propiedad cuántica llamada espín que las hace actuar como pequeños imanes. Si medimos este espín para un electrón, siempre lo encontraremos apuntando en una sola dirección o en la dirección opuesta, arriba o abajo, por ejemplo.
Ahora podemos imaginar entrelazar dos electrones, de modo que sus espines siempre apunten en direcciones opuestas. Si el electrón 1 tiene un espín hacia arriba, el electrón 2 debe tener un espín hacia abajo, y viceversa. Se dice que los dos espines están correlacionados. Son como un par de guantes, si uno es diestro, el otro debe ser zurdo.
Supongamos ahora que entrelazamos los dos electrones de esta manera y los disparamos en direcciones opuestas. No sabemos cuál de los dos está hacia arriba y cuál está hacia abajo hasta que hacemos una medición. Si encontramos que el electrón 1 tiene un espín hacia arriba, sabemos que el espín del electrón 2 debe ser hacia abajo.
Esto no es notable, porque podríamos hacer lo mismo con los guantes. Podríamos poner uno en un paquete y enviarlo a Alicia y el otro a Bob. El momento en que Alicia abra su paquete y encuentre el guante derecho, ella sabrá que Bob debe tener el guante izquierdo. La orientación de los guantes, al igual que los espines de los electrones, está correlacionada.
Pero hay una diferencia crucial en esta analogía. La orientación de los guantes en el paquete siempre fue la misma desde el principio. Nunca cambió, siempre fue el guante derecho el que se envió a Alicia. Si alguien hubiera interceptado el paquete antes de que Alicia lo recibiera, esa persona habría visto que era el guante derecho y sabría que Alicia recibiría el guante izquierdo.
Con las partículas entrelazadas, eso no es así. Recuerda, todo lo que hicimos al principio fue asegurarnos de que el entrelazamiento los hiciera correlacionados, de modo que sus espines apunten en direcciones opuestas. No especificamos si el electrón con espín hacia arriba es el número 1 o el número 2. Podrías pensar que, bueno, obviamente es uno u otro, es solo que no sabíamos cuál era cuál hasta que medimos uno de ellos. Bueno, eso no es del todo cierto.
Supongamos que configuramos un electrón para que pueda tener tanto espín hacia arriba como espín hacia abajo cuando lo medimos, eso se llama superposición. La orientación del espín del electrón simplemente no se describe hasta que se realiza la medición. No es solo que aún no lo sepamos, simplemente no hay una respuesta definitiva a favor o en contra.
¿Cómo sabemos si la superposición es real y no solo una ilusión debido a nuestra ignorancia? Una pista experimental proviene de un experimento de doble rendija. Este experimento muestra que una partícula está realmente extendida como una onda que puede estar en muchos lugares antes de la medición, pero después de la medición, la partícula se vuelve distinta y localizada.
Este fenómeno ya es extraño para una sola partícula, pero con partículas entrelazadas es aún más extraño porque entonces parece que una medición en una partícula determina el resultado no solo para esa partícula, sino también para ambas. Cuando medimos solo el electrón 1, la medición no solo forzó al universo a elegir entre espín hacia arriba o espín hacia abajo para esa partícula, también forzó la elección opuesta para el electrón 2 debido a su correlación.
El experimento EPR y el principio de incertidumbre
Albert Einstein pensó en un experimento como este en 1935 en colaboración con dos científicos más jóvenes, Boris Podolski y Nathan Rosen, a quienes se llama EPR por sus iniciales combinadas. No hicieron esto para demostrar cuán extraña es la mecánica cuántica, sino para demostrar que la mecánica cuántica podría ser incompleta.
En este experimento, parece que al hacer una medición en la partícula 1, estamos desencadenando algún efecto que influye en el espín de la partícula 2, y según la mecánica cuántica, esto sucede instantáneamente, no lleva tiempo para que el efecto sea sentido por la otra partícula. Pero eso es imposible porque la teoría de la relatividad especial de Einstein, formulada 20 años antes, decía que ninguna influencia puede transmitirse más rápido que la velocidad de la luz.
Era como si, como dijo Einstein, hubiera alguna acción espeluznante a distancia imposible que pasara instantáneamente entre la partícula 1 y la partícula 2. Debido a esto, EPR razonó que toda la idea de las propiedades de los objetos cuánticos que permanecen indeterminadas hasta que se las mide no tenía sentido.
Pensaron que debía haber algo que Einstein llamó variables ocultas, que fija las orientaciones de los espines todo el tiempo y que en realidad no podemos medir estas variables para averiguar las orientaciones de los espines, de ahí que estén ocultas, pero deben existir según EPR. Por lo tanto, el fenómeno que habían descubierto, que se conoció como entrelazamiento, parecía hacer un agujero en la lógica de la mecánica cuántica. Pero otros, como el físico danés Niels Bohr, dijeron que Einstein estaba equivocado.
Bohr afirmó que no había variables ocultas y que el hecho de que el entrelazamiento pareciera crear estas extrañas correlaciones entre partículas era algo que teníamos que aceptar como realidad. No había una forma obvia de determinar quién tenía razón, los científicos seguían estando divididos. No bastaba con hacer el experimento que EPR había propuesto, porque simplemente medir los espines no te diría si esos espines se habían fijado todo el tiempo como pensaba EPR, o si se habían establecido después de la medición como pensaba Bohr.
No fue hasta casi 30 años después, en 1964, que el físico irlandés John Bell descubrió cómo configurar un experimento inteligente para determinar quién tenía razón. Esto implicaba repetir el experimento una y otra vez con pares de partículas entrelazadas mientras los experimentadores mismos, Alicia y Bob, cambiaban exactamente cómo hacían esas mediciones cada vez.
Luego se observa cuán fuerte es la correlación entre los resultados de las mediciones a medida que se realizan estos cambios. Bell demostró que la mecánica cuántica predijo correlaciones estadísticas más fuertes en los resultados de estas mediciones de las que cualquier teoría de variables ocultas podría predecir. Basta decir que cuando se hizo el experimento de Bell por primera vez en un laboratorio en la década de 1970 por los físicos John Clauser y Stuart Friedman en la Universidad de California, Berkeley, no mostró signos de variables ocultas y, de hecho, los resultados solo fueron determinados por el acto de la medición en sí mismo, y en los años siguientes, este aspecto de la mecánica cuántica se ha demostrado que es correcto una y otra vez. Bohr tenía razón y EPR estaba equivocado.
¿Cómo se entrelazan las partículas cuánticas?
La forma más sencilla de crear partículas entrelazadas es entrelazarlas desde el principio, como gemelos podrías decir. Por lo general, los investigadores crean el par de fotones en un salto cuántico único, por ejemplo, cuando un átomo que ha recibido cierta energía extra la libera al emitir dos fotones al mismo tiempo.
Hay formas ingeniosas de hacer esto con láseres, que es cómo lo hicieron Friedman y Clauser, pero hay otras formas de crear entrelazamientos entre objetos como átomos o electrones. La forma más sencilla es simplemente llevar las partículas juntas y dejar que interactúen.
Si arreglas para que una partícula afecte el estado final de la segunda partícula, cuando pones la primera partícula en una superposición cuántica, el par de partículas puede terminar en una superposición conjunta, un par entrelazado. Eso es realmente lo que es el entrelazamiento, una superposición cuántica de más de un objeto.
¿Cómo funciona el entrelazamiento cuántico?
Entonces, ¿Hacen los experimentos de Bell significa que la acción espeluznante a distancia de Einstein es real? Es posible que escuches esa afirmación, pero no es correcta. EPR estaba pensando en el entrelazamiento de la manera equivocada, lo cual no es sorprendente porque lo que estaban asumiendo era simplemente sentido común, tanto así que ni siquiera sabían que era una suposición.
Pensaban en las dos partículas como objetos separados, y ¿Por qué no lo harían? Después de todo, se envían volando en direcciones opuestas en el espacio y, en principio, puedes esperar hasta que estén a años luz de distancia antes de medirlas. Pero una vez que los objetos están entrelazados, ya no están separados.
Son algo así como dos partes de un solo objeto. Esto es lo que significa en la mecánica cuántica, los objetos se describen por funciones de onda. Estas son expresiones matemáticas que engloban todo lo que se puede decir sobre el objeto. Esta función de onda puede estar extendida en el espacio, por eso las partículas pueden actuar como si fueran ondas.
Sin embargo, si entrelazamos dos partículas, entonces se describen por una única función de onda y, dado que dos objetos entrelazados están siendo descritos por la misma función de onda, hablando matemáticamente, son el mismo objeto. Eso es realmente lo que significa el entrelazamiento y es por eso que las propiedades de las partículas son interdependientes. Si haces algo a una de las partículas, como medirla, cambias la función de onda y, por lo tanto, también alteras la otra partícula, ya que también es descrita por la misma función de onda.
Ahora, la pregunta que podrías hacer es: ¿Cómo dos partículas inicialmente separadas pueden, de alguna manera, combinar sus dos funciones de onda en una sola? Realmente se reduce a las matemáticas. Antes de que las partículas interactúen, podemos separar las funciones de onda del sistema completo de las dos partículas en una parte que describe la partícula 1 y otra parte que describe la partícula 2.
Pero después de interactuar, eso ya no es cierto. No podemos señalar ninguna parte de la función de onda total y decir que esa parte es la partícula 1 y la otra parte es la partícula 2. Este mezclado sucede para casi cualquier tipo de interacción entre ellas. Entonces, una vez que dos partículas están entrelazadas, no podemos ver nada sobre una de ellas sin considerar toda la función de onda. Es como si sus propiedades ahora se extendieran sobre ambas. Esto hace que no importe cuán lejos estén las partículas entrelazadas, todavía están entretejidas por su función de onda conjunta.
Eso es lo realmente extraño. Estamos acostumbrados a que las propiedades de un objeto estén en o en ese objeto. Si mi camiseta es azul, el color azul está en la camiseta, está localizado allí. Si tengo una taza de café azul, ese es el color azul de la taza de café, no de la camiseta. Pero para los objetos cuánticos entrelazados, sus propiedades pueden ser no locales, es decir, distribuidas entre ambos objetos. Algunas de las cualidades de la camiseta pueden estar en la taza de café y viceversa.
La no localidad y la mecánica cuántica
Esto nos lleva a por qué el entrelazamiento está en el corazón de la mecánica cuántica, porque lo que nos dice es que el mundo cuántico tiene una característica llamada no localidad. Las cosas en un lugar no dependen solo de lo que sucede en el vecindario de ese lugar, como ocurre en el mundo clásico. Parece haber una conexión instantánea entre diferentes regiones y partículas, sin importar cuán lejos estén.
Entonces, ¿Por qué esto no es una acción espeluznante a distancia? Eso se debe a que la imagen de Einstein era algo en un lugar transmitiendo sus efectos a otro lugar más rápido que la luz. La no localidad cuántica es una alternativa a esa imagen. Lo que realmente dice es que no podemos pensar en esos dos lugares como separados, la mecánica cuántica los colapsa en una sola cosa.
En este sentido, la mecánica cuántica parece hacer disparates de nuestro sentido normal del espacio. De hecho, algunos investigadores sospechan que el entrelazamiento cuántico es más fundamental que el espacio mismo y que nuestra noción de espacio surge de los entrelazamientos cuánticos que conectan objetos en una vasta red de interacción.
Comunicación y criptografía cuántica
¿Qué tal usar el entrelazamiento cuántico para la comunicación? Es tentador imaginar que el entrelazamiento nos permitirá comunicarnos más rápido que la luz. Digamos que creamos un par de partículas entrelazadas y las separamos por miles de millas, de modo que Alicia tenga la partícula 1 en China y Bob tenga la partícula 2 en los Estados Unidos.
Si Bob realiza una medición en los Estados Unidos, ¿No significa eso que la partícula de Alicia en China se ve afectada instantáneamente? Bueno, sí, parece que sí, pero cuando Alicia mide su partícula, le parecerá un colapso aleatorio.
No hay nada significativo sobre una medición que Alicia haga hasta que descubra cuánto se correlaciona con lo que Bob midió y la única forma de hacerlo es intercambiando información sobre sus mediciones, ya sea mediante un mensaje ordinario, correo electrónico o paloma mensajera, como elijan hacerlo, nunca lo harán más rápido que la luz. Es por eso que es imposible usar la correlación entre partículas entrelazadas para enviar información instantáneamente.
Ahora, al menos hay una ventaja en usar partículas entrelazadas para enviar mensajes: puedes encriptar el mensaje de tal manera que nunca pueda ser interceptado y descifrado sin que dicho descrifrado sea detectado, y se sabrá que su mensaje no fue seguro. Es por eso que los fotones cuánticos entrelazados enviados a lo largo de fibras ópticas o mediante señales satelitales ahora se utilizan para encriptar mensajes sensibles, como datos financieros, en una «internet cuántica» a prueba de manipulaciones, que aún está en construcción.
El entrelazamiento también es clave para la computación cuántica. Se ha demostrado que las computadoras cuánticas con solo unas pocas docenas de bits cuánticos entrelazados pueden hacer cálculos en segundos que tomarían siglos en una supercomputadora convencional. Probablemente jugará un papel importante en nuestras vidas. Si quieres aprender más sobre este fascinante mundo de la computación cuántica, hay un excelente curso en Brilliant, llamado «Quantum Computing».
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