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Ciencia

La acción fantasmagórica

Un equipo de Campinas describe el fenómeno que hace posible la criptografía cuántica

En un espacio millones de veces más pequeño que la punta de una aguja, la naturaleza se comporta de una manera muy curiosa. En ese mundo ultramicroscópico, dos o más partículas, o incluso dos o más conjuntos distintos de partículas, pueden compartir una propiedad peculiar, que constituye un reto a la intuición y, a veces, nos hace acordar de la telepatía. Planteada en 1935 y comprobada experimentalmente en la década de 1960, esta propiedad especial llamada enmarañamiento o entrelazamiento cuántico, quantum entanglement, en inglés es una especie de pacto sellado que las partículas o los conjuntos de partículas mantienen entre sí para cumplir una determinada condición.

Sin un correspondiente en el mundo macroscópico, gobernado por las leyes de la física planteadas por Isaac Newton, que explican la caída de un mango maduro del árbol en dirección al suelo, por ejemplo, esta propiedad parece un tanto oscura incluso para los físicos, que aún no terminan de entenderla completamente. Pero el apoyo en una analogía ayuda a comprender este fenómeno, cuyos detalles ahora empiezan a aclararse, con la contribución de físicos de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp).

Es más fácil explicar el entrelazamiento cuando se dejan las partículas de lado y, como suele hacerlo el físico Daniel Turolla Vanzella, de la Universidad de São Paulo (USP), se piensa en un par de dados, aquéllos usados en los juegos de mesa. Primero es necesario entrelazarlos. Imagínese el lector entonces una máquina de enmarañar dados. Con los dados ya en el interior de un tal aparato ficticio, el paso siguiente consiste en elegir la característica que dichos cubos han de compartir, por ejemplo: que las caras que están para arriba sumen siempre 7 luego de arrojar ambos dados.

Una vez digitado el programa, se gira la manivela y…voilà: un par de dados enmarañados. Para hacer una prueba, se arroja el primer dado sobre la mesa y la faz superior muestra un 2. El entrelazamiento ajustado garantiza que, al lanzar el segundo dado, solamente puede dar como resultado la superficie con el número 5.Si nuevamente se tira uno de estos dados y éste para con la cara del 6 para arriba, el otro, por supuesto, exhibirá el número 1. Y lo más curioso: antes de lanzar cualquiera de los dados, no es posible saber cuál será el número que cada uno de ellos mostrará individualmente, cada dado puede caer con cualquiera de las seis caras para arriba. Recién después de que se tira uno de los dados, el otro ha de exhibir obligatoriamente la cara que, sumada a la anterior, dé como resultado el número 7.

Pero, aquéllos que no se convencen de que las partículas pueden comportarse de esta manera no constituyen excepciones. El físico Albert Einstein, que previó este fenómeno en 1935 en el marco de un estudio realizado junto con Boris Podolsky y Nathan Rosen, también observaba el enmarañamiento con desconfianza.Aunque resulta imposible que los dados de mesa, como así también todos los objetos macroscópicos, presenten este comportamiento en realidad, los experimentos realizados en laboratorio confirman que es efectivamente así que la naturaleza se comporta en el mundo de las partículas, en el cual las distancias se miden en nanómetros (millonésimas de milímetro), según explica el físico Antonio de Toledo Piza, de la USP.

En el marco de dos estudios teóricos publicados a comienzos de este año, los físicos Carlos Escobar y Daniel Rigolin, de la Unicamp, ayudan a develar las sutilezas del enmarañamiento cuántico. En líneas generales, ellos verificaron que la intensidad del enmarañamiento entre dos componentes de un sistema, ya sean dos partículas distintas o dos conjuntos de partículas, disminuye acorde aumenta la distancia entre un componente y otro. De vuelta a los dados, es como si el enmarañamiento se debilitase a medida que un dado es arrojado lejos del otro, reduciéndose así la certeza de que la segunda pieza mostrará la cara del 5 hacia arriba tan pronto como la primera revele el número 2.

Otro descubrimiento indica que la intensidad o el grado de entrelazamiento entre componentes con niveles de energía diferentes es menor que entre componentes con niveles de energía similar. Quizá otra comparación ayude también en este caso. La confiabilidad de que el pacto entre los dados se plasmará es menor cuando uno de éstos es sacudido con mayor energía, y el otro con menos fuerza, que cuando se agita a ambos con las mismas ganas. Así, la certeza de que los dados presentarán el resultado programado, 7 en la suma, es mayor cuando ambos son agitados muy intensamente o incluso con intensidad menor, siempre y cuando se mantenga el mismo vigor.

En un laboratorio de física, por supuesto que no hay investigadores tirando dados sobre la mesa. En cambio, ellos barajan diferentes conjuntos de partículas de carga eléctrica negativa (electrones), que se mueven alrededor de los núcleos de los átomos, o también haces de láser, conjuntos de miles millones de partículas de luz o fotones. Sin embargo, el comportamiento de las partículas no difiere de aquél de los dados dotados de esa propiedad casi mágica.

¿Parece complicado? Quizás lo sea. Así y todo, esta propiedad física hace viable el desarrollo de tecnologías futuristas como la teletransportación cuántica, tal como se denomina a la transferencia de informaciones propias de una partícula a otra alejada, nada que ver, al menos por ahora, con la cómoda forma de viajar de la serie Viaje a las estrellas , porque la partícula no es transmitida en el proceso, sino que sí lo son sus características.

Se cree también que esta propiedad permitiría la producción comercial de sistemas ultraseguros de codificación de información: la criptografía cuántica. Los sistemas de criptografía actuales, como los empleados por los bancos, se basan en la mezcla de los datos que deben transmitirse, que solamente puede leerlos aquél que conozca una clave numérica, que es un número de miles de dígitos que brinda acceso a la información correcta. En tanto, la criptografía cuántica se vale de las propiedades de las partículas para codificar la información. Así, el mensaje se vuelve inviolable, ya que ante el más sutil intento de espionaje altera la información ?tal como fuera consagrado en el Principio de la Incertidumbre, formulado por el físico Werner Heisenberg, y denuncia al ladrón.

Poco a poco, la teoría va llegando a la práctica, aunque en forma experimental. El primer físico que demostró en 1997 el teletransporte cuántico, el austríaco Anton Zeilinger, de la Universidad de Viena, llegó en abril pasado a otro logró notable: empleó fotones entrelazados para codificar informaciones durante la transferencia de una donación de 3 mil euros (cerca de 12 mil reales) de la municipalidad de Viena a la cuenta del laboratorio en el banco Austria Creditanstalt, en lugar del sistema de criptografía usual del banco.

Los dos estudios brasileños contribuyen a la comprensión de ese fenómeno al mostrar de qué manera el entrelazamiento cuántico se comportaría en condiciones más cercanas a las reales. Dichos trabajos, publicados enPhysical Review A , cobraron relieve en dos publicaciones virtuales de referencia en el área: el Virtual Journal of Cuantum Information y elVirtual Journal of Nanoscale Science and Technology .

En el artículo de 13 de enero, Escobar y su alumno de doctorado Gustavo Rigolin evaluaron la intensidad del enmarañamiento entre conjuntos de partículas con un patrón distinto de energías; haces de láser de colores diferentes, como el rojo y el azul, por ejemplo, los colores se determinan según el nivel de energía con que vibran los fotones, como los datos agitados con intensidades distintas.

Debido a la dificultad dos cálculos, no se llegó a valores exactos del grado de enmarañamiento en ese caso. Pero Escobar y Rigolin plantearon dos formas diferentes de calcular el límite mínimo a partir del cual se puede considerar que esos conjuntos de partículas están entrelazados. En ese estudio, verificaron también que el nivel de entrelazamiento entre conjuntos de partículas con niveles de energía distintos, o que se encuentran en estados no simétricos, como dicen los físicos, es inferior al alcanzado por conjuntos de partículas con el mismo nivel de energía (estados simétricos).

De otra manera, los físicos ayudaron a determinar la intensidad mínima de esa conexión tan diáfana cuanto íntima, clasificada por el propio Einstein hace casi 70 años como una acción fantasmagórica a distancia. Es un avance considerable con relación a lo obtenido por el equipo de Reinhard Werner, de la Universidad Técnica de Braunschweig, Alemania, que en 2003 determinó el grado de entrelazamiento para conjuntos de partículas en estados simétricos, como lo son dos haces de láser del mismo color.

Los resultados del equipo de Campinas son importantes, pues significan un paso en dirección a lo que sucede en la realidad. De manera diferente a lo que pasa en las previsiones teóricas, que tienen en cuenta condiciones ideales, en la práctica existen interferencias de todo tipo, e incluso la calidad de la fibra óptica puede alterar el patrón de energía de láser que transporta.

Por tal razón, conocer el límite a partir del cual los conjuntos de partículas en estados no simétricos comparten esta propiedad es esencial para la creación de sistemas verdaderamente eficientes de criptografía, teletransportación o computación cuántica. Asimismo, cuanto más enmarañados están los conjuntos de partículas, más útiles son desde el punto de vista tecnológico, pues el grado de entrelazamiento está directamente relacionado con la facilidad de manipular la información, por ejemplo: para cálculos en una futura computadora cuántica, o a la probabilidad de hacerla llegar íntegra a su destino en el teletransporte cuántico, explica Rigolin.

En el segundo artículo, publicado el 9 de abril, Escobar, Rigolin y Lea Ferreira dos Santos, en la actualidad investigadora de la Universidad del Estado de Michigan, Estados Unidos, analizaron de qué manera el grado de entrelazamiento varía en un sistema que simula a un procesador cuántico. En lugar de fotones, los físicos emplearon como modelo el control de características de electrones mediante la alteración del campo magnético. En una hilera única de electrones dispuestos uno al lado del otro a distancias iguales, como las cuentas de un collar estirado, el grado de entrelazamiento disminuye tanto como aumenta la distancia.

Quizás sea más fácil pensar en una serie de bolas de pool dispuestas a los largo de una línea en el siguiente orden: blanca, marrón, verde, amarilla, azul, rosa, roja y negra. El equipo de la Unicamp vio que la intensidad de esa interacción entre el electrón en la posición de la bola blanca y el de la posición de la marrón puede alcanzar el 80% del grado máximo de entrelazamiento posible, mientras que ese nivel se ubica en torno al 60%, entre el electrón en el lugar de la blanca y el ubicado en la posición de la bola verde, y así sucesivamente.

En ese mismo trabajo, surgió un resultado inesperado. Los físicos constataron que, en algunos casos, la intensidad del entrelazamiento alcanza los grados más bajos cuando el campo magnético cercano a cada electrón varía de manera aleatoria (en régimen caótico), más que en la situación en donde los campos magnéticos son homogéneos, precisamente lo contrario de lo que indicaban los estudios anteriores.

Asimismo, los niveles máximos de entrelazamiento surgieron en la transición entre el régimen caótico y el homogéneo (no caótico). Es un nivel de detalle fundamental para determinar cuán confiable sería un procesador cuántico real construido de acuerdo con ese modelo en un material semiconductor, como pueden ser electrones aprisionados en puntos cuánticos (pirámides de pocos nanómetros de altura) de arsenuro de indio depositado sobre arsenuro de galio. “Lo ideal es mantener el campo magnético homogéneo, pero en sistemas como éste, cualquier imperfección en el material vuelve al régimen caótico”, dice Rigolin.

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