miércoles, 2 de enero de 2013

Teleportación: La carrera espacial cuántica

Referencia: Nature.com .
Por Zeeya Merali, 5 de diciembre 2012

Enconados rivales han unido sus fuerzas en la carrera para teletransportar la información cuántica hacia y desde el espacio.

Hace tres años, Jian-Wei Pan trajo un poco de Star Trek a la Gran Muralla de China. Desde un sitio cercano a la base del muro en las colinas, al norte de Beijing, él y su equipo de físicos, de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC) en Hefei, apuntaron un láser a un detector de una azotea a 16 kilómetros de distancia, y luego, utilizando las propiedades cuánticas de los fotones del láser 'teletransportaron' la información a través del espacio intermedio (1). En ese momento, se trataba del récord mundial de distancia de la teleportación cuántica, y un paso importante hacia el objetivo final del equipo de teletransportar fotones a un satélite.

Si este objetivo se lograra, se establecerían los primeros eslabones de una 'Internet cuántica" que aprovecharía el poder de la física subatómica para crear una red super-segura la comunicación global. Se confirmaría el ascenso de China en este campo, desde ser un simple jugador a ser una potencia mundial, en poco más de una década. Para 2016, por delante de Europa y América del Norte, China planea lanzar un satélite dedicado a la experimentación de la ciencia cuántica. Ofrecerá a los físicos una nueva plataforma en la que poner a prueba los fundamentos de la teoría cuántica, y explorar cómo encajan con la teoría general de la relatividad, la tan diferente teoría de Einstein sobre el espacio, el tiempo y la gravedad.

También marcará la culminación de una larga y feroz competencia, aunque amistosa, con Anton Zeilinger, físico de la Universidad de Viena. Zeilinger fue asesor de Jian-Wei Pan, y tras siete años de rivalidad en la  carrera de la teleportación cuántica a larga distancia, es ahora su colaborador. Una vez se lance el satélite, los dos físicos planean crear la primera red segura intercontinental cuántica, que conecte por satélite Asia y Europa. "Hay un viejo proverbio chino, “quien me enseña por un día es mi padre de por la vida", comenta Jian-Wei Pan. "En la investigación científica, Zeilinger y yo, colaboramos de igual a igual, pero emocionalmente siempre lo consideraré como mi maestro."


1 Situación del experimento de teleportacion Jian-Wei Pan y Anton Zeilinger

2 Dos fotones "entrelazados" en el laboratorio. Sus polarizaciones individuales aún no se ha definido, el entrelazamiento asegura que cualquier medición hallará que ambas polarizaciones son idénticas, sin importar la distancia entre ellos.

3 Un fotón entrelazado es entonces transmitido desde Beijing a Viena.

4 El fotón que se queda en casa se ​​utiliza para recoger información del otro fotón. El fotón viajero se ve afectado instantáneamente por la comparación en China, y adquiere la información sobre el fotón interrogado.

5 Se comprueban los fotones en China para ver si coinciden. Este proceso destruye la información en poder del fotón interrogado. El test en China también destruye el enlace entre los fotones entrelazados.

6 El resultado del test en China se comunica a través de medios convencionales. Se dice que los experimentadores en Austria si ven su fotón en un estado idéntico al del fotón interrogado se entiende que ha sido 'teleportado'.

Una carrera meteórica

Jian-Wei Pan tenía sólo  unos treinta años cuando se fundó el primer laboratorio de China para la manipulación de las propiedades cuánticas de los fotones en el año 2001, y en 2003 fue cuando se propuso la misión del satélite. Cumplidos sus 41, en 2011, se convirtió en el más joven investigador admitido en la Academia China de Ciencias. "Él ha ido casi en solitario empujando este proyecto hasta poner a China en el mapa cuántico", contaba un miembro del equipo, Yu-Ao Chen, también de la USTC.

El impulso de Jian-Wei Pan se remonta a sus años universitarios en la USTC, a finales de 1980, cuando se topó por primera vez con las paradojas en juego del reino atómico. Los objetos cuánticos pueden existir en una superposición de muchos estados: una partícula puede girar tanto en sentido horario como al contrario al mismo tiempo, por ejemplo, y puede simultáneamente estar aquí y allá. Esta personalidad múltiple se describe matemáticamente como la función de onda de una partícula, lo que ofrece la probabilidad de que esté en cada uno de esos estados. Solamente cuando las propiedades de la partícula son medidas colapsa su función de onda, eligiendo un estado definido en una única ubicación. Básicamente, no hay manera, incluso de principio, de poder predecir el resultado de un solo experimento; las probabilidades sólo se mostrarán como una distribución estadística, y únicamente cuando el experimento se repite muchas veces.

Las cosas se vuelven aún más extrañas cuando están involucradas dos o más partículas, gracias a la propiedad cuántica de entrelazamiento. Las partículas múltiples se pueden preparar de tal manera que las mediciones sobre una estén correlacionadas con las mediciones realizadas sobre las otras, aun en el caso que las partículas están separadas por enormes distancias, y a pesar de que el fenómeno de la superposición exige que estas propiedades no pueden ser fijadas hasta el mismo instante en que son probadas. Es tan extraño como que un físico en Beijing y otro en Viena, lanzan una moneda al unísono, y encuentran que siempre sale cara o cruz en ambas a la vez. "Estaba obsesionado con estas paradojas cuánticas", cuenta Jian-Wei Pan. "Me abstraían tanto que ni siquiera podía estudiar otras cosas". Quería probar la veracidad de estas afirmaciones casi inconcebibles, pero no podía encontrar un laboratorio experimental adecuado de física cuántica en China.

La progresión natural para los físicos chinos en la posición de Jian-Wei Pan, fue estudiar en los Estados Unidos, de hecho, sus compañeros bromeaban con el acrónimo de la universidad, USTC, diciendo que en realidad significaba ‘Estados Unidos Training Centre’. Pero Jian-Wei Pan quería aprender de un maestro experimental cuántico. Y para él, sólo había un físico que sobresalía, Zeilinger.

En 1989, Zeilinger había colaborado con los físicos Daniel Greenberger, ahora en la Universidad de Nueva York, y Michael Horne, ahora en Stonehill College en Easton, Massachusetts, con un teorema fundamental que rige el entrelazamiento de tres o más partículas (2). El trabajo fue un punto de inflexión para este campo, y para Zeilinger. "En las conferencias, me di cuenta de que los principales físicos más importantes habían empezado a considerarme como un experto en cuántica", recuerda Zeilinger. A mediados de la década de 1990, Zeilinger ya había establecido su propio laboratorio cuántico en la Universidad de Innsbruck en Austria, y necesitaba un estudiante para probar algunas de sus ideas. Jian-Wei Pan parecía un ajuste perfecto. Así pues, en lo que parecía raro traslado de un estudiante chino, Jian-Wei se trasladó a Austria, iniciando una relación con Zeilinger que vería cómo sus carreras se desarrollaban en paralelo en los dos siguientes decenios.

Aún siendo un estudiante graduado, Jian-Wei tenía grandes ambiciones para su país de origen. En su primera reunión, Zeilinger le preguntó cuál era su sueño. "Construir en China un laboratorio líder en el mundo como el suyo", dijo Jian-Wei. Zeilinger estaba impresionado. "Cuando vino por primera vez, no sabía nada acerca de cómo trabajar en un laboratorio, pero rápidamente asumió las reglas del juego y no tardó en inventar sus propios experimentos. Siempre supe que tendría una carrera maravillosa; pero el increíble éxito que ha tenido, nadie podría haberlo previsto. Estoy muy orgulloso de él."

Mientras que Jian-Wei Pan dominaba su oficio en el laboratorio de Zeilinger, los físicos de todo el mundo fueron poco a poco adoptando la idea de que las esotéricas características cuánticas que tanto encantaban a Jian-Wei podrían aprovecharse para crear, por ejemplo, ultra-potentes ordenadores cuánticos. Los ordenadores estándar caminan lentamente a través de la información codificada en dígitos binarios, cadenas de ceros y unos. Pero ya en 1981, el físico Richard Feynman había señalado que los bits cuánticos, llamados "qubits", no tiene por qué ser un obstáculo. Debido a que un qubit puede existir simultáneamente en superposiciones de 0 y 1, de donde debería ser posible construir ordenadores cuánticos más rápidos, más potentes, que utilizando el entrelazamiento de múltiples qubits realizaran determinados cálculos en paralelo, y a una velocidad impresionante.

Otra idea que fue emergiendo es la del cifrado cuántico ultra-seguro, para aplicaciones tales como las transacciones bancarias. La idea clave es que la medición de un sistema cuántico lo altera irrevocablemente. De tal manera que dos personas, Alice y Bob, podrían generar y compartir una clave cuántica, con la certeza de que cualquier intromisión por un espía, dejaría un rastro inevitable.

Al tiempo que Jian-Wei Pan volviera a China en 2001, el potencial de las tecnologías basadas en la cuántica ya era reconocida lo bastante como para atraer el apoyo financiero de la Academia China de Ciencias y de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China. "La suerte fue que en 2000 la economía de China comenzó a crecer, así que el momento oportuno para hacer buena ciencia", dice Jian-Wei. Y él se sumergió en la construcción de su soñado laboratorio.

En Austria, por su parte, Zeilinger se había trasladado a la Universidad de Viena, donde continuó estableciendo récords cuánticos gracias a su afición a pensar a lo grande. Uno de sus más celebrados experimentos demostraban que las buckyballs, moléculas de fullereno que contienen 60 átomos de carbono, pueden exhibir una conducta tanto de onda como de partícula (3), un peculiar efecto cuántico que muchos pensaron que no podría sobrevivir en esas moléculas grandes. "Todo el mundo estuvo hablando de ensayar este experimento con pequeñas moléculas diatómicas", recuerda Zeilinger. "Y dije, no chicos, no sólo pienso en uno o dos pasos por delante, sino en cómo dar un gran salto inesperado más allá del pensamiento de todos."

Esa fue una lección que a Jian-Wei Pan le gustó escuchar. Los físicos de todo el mundo estaban empezando a imaginar una futurista Internet cuántica, basada en los vínculos entre ordenadores cuánticos que aún no se había construido. En aquellos momentos, cuando la mayoría de los practicantes se sentían todavía felices de conseguir una información cuántica de seguridad a través de un banco de laboratorio, Jian-Wei ya empezaba a pensar en la forma de un teletransporte por todo el planeta.

Propuesto por primera vez en 1993, por el científico informático Charles Bennett de IBM, y sus colegas, en Nueva York (4), la teleportación cuántica se ganó un nombre sensacional, "parecía algo sacado de Star Trek", comentaba Chen, ya que permite que toda la información acerca de un objeto cuántico escaneado en un lugar, pueda luego ser recreado en un nuevo lugar. La clave es el entrelazamiento, ya que las operaciones llevadas a cabo en una de las partículas entrelazadas afectan al estado de su pareja, sin importar lo lejos que esté, los dos objetos pueden ser manipulados para que actúen como dos extremos de una línea telefónica de transmisión de la información cuántica entre dos lugares muy distantes entre sí.

El desafío se presenta cuando las partículas entrelazadas, que deben ser producidas juntas, se transmiten a sus respectivos extremos de la conexión telefónica. Este viaje está lleno de ruido, de dispersión de interacciones y todo tipo de otras interrupciones, cualesquiera de ellos puede destruir las delicadas correlaciones cuánticas necesarias para hacer el trabajo de teletransporte. Actualmente, por ejemplo, los fotones entrelazados se transportan a través de fibras ópticas. Sin embargo, las fibras absorben la luz, lo que hace que los fotones no viajen más de unos pocos cientos de kilómetros. Los amplificadores estándar no pueden ayudar, porque el proceso de amplificación destruirá la información cuántica. "Para la teleportación a distancia, más allá del alcance de una ciudad, necesitamos hacerlo a través de un satélite", reseña Chen.

Pero, ¿podría sobrevivir el entrelazamiento a un viaje a través de la turbulenta atmósfera terrestre hasta un satélite situado unos cientos de kilómetros por encima de nuestras cabezas? Para averiguarlo, el equipo de Jian-Wei Pan, incluyendo a Chen, comenzó en 2005 a llevar a cabo pruebas de viabilidad con base en tierra, a través de cada vez mayores extensiones de cielo despejado, para saber si los fotones perdían su entrelazamiento cuando chocaban contra las moléculas de aire. Aunque también se necesitaba construir un detector diana que debía ser, a su vez, lo suficientemente pequeño como para caber en un satélite y lo bastante sensible como para recoger los fotones teletransportados de un fondo lumínico. Luego tuvieron que demostrar que podían centrar su haz de fotones con la fuerza suficiente para golpear el detector.

El trabajo despertó el instinto competitivo de Zeilinger. "Los chinos estaban en ello, así que pensé ¿por qué no intentarlo?", Dijo con una sonrisa. "Una especie de competición amistosa siempre es bueno". La carrera empezó a llevar el récord de distancia más y más lejos (ver el diagrama de abajo ‘registros del duelo'). Durante los siguientes siete años, se llevaron a cabo una serie de experimentos en Hefei, luego en la Gran Muralla de Beijing y, finalmente, en Qinghai, el equipo chino fue capaz de teletransportar a través de distancias cada vez mayores, hasta pasar los 97 kilometros (5). Los investigadores anunciaron sus resultados en mayo, publicando un documento en el servidor de física, arXiv, para gran disgusto del equipo austriaco, cuyos resultados forzaron el teletransporte de fotones entre dos de las Islas Canarias. No obstante, el grupo austriaco publicó en arXiv ocho días más tarde, reportando un nuevo récord de distancia de 143 kilometros (6). Los documentos iban publicándose en rápida sucesión, en Nature (5), (6). "Creo que era el reconocimiento de que cada experimento tenía diferentes y complementarias ventajas", señaló Xiao-song Ma, físico de la Universidad de Viena y miembro del equipo austriaco.

Línea temporal de registros del duelo
Ambos equipos están de acuerdo en que las preocupaciones científicas acerca del teletransporte a un satélite han sido apaciguadas. Ahora sólo necesitan de un satélite que albergue los tests y una carga funcional para poner a bordo. El equipo de Zeilinger había estado discutiendo una posible misión de satélite cuántico con la Agencia Espacial Europea (ESA), pero las conversaciones perdieron fuerza poco a poco. "Sus mecanismos son tan lentos que no terminaban de tomar una decisión", decía Zeilinger. La vacilación de la ESA abrió la brecha que necesitaba la Administración Espacial Nacional de China para lanzarse. Jian-Wei Pan ha sido fundamental para sacar adelante la misión, que deberá ver un satélite cuántico lanzado para 2016. Esto coloca a Jian-Wei por delante en la carrera espacial cuántica, y su equipo se encargará de la mayor parte de las pruebas científicas.

La clave para el éxito

Pero no habrá ningún punto de desarrollo de una primera red global de comunicación cuántica si no tengo a nadie con quien hablar. Así que Jian-Wei invitó a su antiguo rival a unirse a él en ese proyecto. Su primera meta conjunta será generar y compartir una clave segura cuántica entre Beijing y Viena. "En última instancia, la teleportación a un satélite es una tarea demasiado grande para que lo pueda hacer un solo grupo", apunta Ma.

A pesar de que la promesa de avanzar en la frontera tecnológica ha sido el principal atractivo para el gobierno chino, muchos físicos encuentran tentador el proyecto de satélite por otros motivos. "Como científico, lo que me mueve es aprender más sobre el lado fundamental de la física", razona Chen. Hasta ahora, la rareza de la teoría cuántica ha sido replicada una y otra vez en los laboratorios, pero nunca antes se había probado a través de distancias que se extiendan en el espacio, y no hay razón alguna para pensar que pueda fallar. En las escalas más grandes, domina otra teoría fundamental de la física: la relatividad general. La relatividad describe el tiempo como otra dimensión entretejida con las tres dimensiones del espacio, creando así el tejido cuatridimensional de espacio-tiempo que comprende el Universo. La gravedad se manifiesta porque este maleable tejido se dobla alrededor de los objetos tan masivos como el Sol y tira hacia sí de los objetos menos masivos, como los planetas.

El cuestión es que, la teoría cuántica y la relatividad general presentan concepciones fundamentalmente diferentes del espacio y el tiempo, y los físicos han luchado por fundir ambas teorías en un marco unificador llamado gravedad cuántica. En la imagen de Einstein, el espacio-tiempo es perfectamente liso, incluso cuando se examina a escalas infinitesimales. La incertidumbre cuántica, sin embargo, implica que es imposible examinar el espacio a distancias tan pequeñas. En algún lugar, una u otra teoría, si no ambas, debe ceder el paso, pero no está claro cuál. Los experimentos con satélites podrían ayudar a probar si las reglas de la teoría cuántica podrían aplicarse a escalas más grandes a través de una fuerza de gravedad que no puede ser ignorada.

Una pregunta obvia es si el entrelazamiento puede llevarse a cabo entre la Tierra y un satélite. El equipo tiene previsto responder a ella mediante la producción de una serie de partículas entrelazadas en el satélite, disparando una de cada par hacia laa estación en tierra y medir después sus propiedades para verificar que los pares están correlacionados, contando que el equipo funcione correctamente. "Si no sobrevive el entrelazamiento tendríamos que buscar una teoría alternativa a la mecánica cuántica", señala Nicolas Brunner, físico teórico en la Universidad de Ginebra, Suiza, que trabaja en los protocolos para el teletransporte al satélite.

El satélite también podría ir un paso más allá, y probar algunas de las predicciones acerca de la estructura del espacio-tiempo realizadas por las teorías candidatas de gravedad cuántica. Por ejemplo, todas estas teorías predicen que el espacio-tiempo se vuelven granuladas si de alguna manera pudieran verse a escalas de 10 a 35 metros, una distancia característica conocida como la longitud de Planck. Si ese es el caso, entonces los fotones que viajan desde el satélite a lo largo de este camino granulado se verían ligeramente frenados (7) y sus polarizaciones experimentarían una pequeña rotación aleatoria (8), son efectos que podrían ser lo bastante grandes como para ser recogidos en la estación de tierra. "El satélite abrirá esa nueva ventana a la realidad en un régimen al que los experimentadores nunca antes habían tenido acceso, y esto suena fantástico", señala Giovanni Amelino-Camelia, un físico de la Universidad Sapienza de Roma, Italia.

Jian-Wei Pan, Zeilinger y sus equipos, están actualmente examinando las ideas generadas en una reciente serie de talleres en el Instituto Perimeter de Física Teórica en Waterloo, Canadá, donde los físicos les hicieron llegar otras preguntas fundamentales que podrían ser testeadas por el satélite (9). Preguntas del tipo, ¿cómo una partícula entrelazada siempre sabe el resultado de una medición hecha en su distante pareja? ¿La comunicación entre pares se produce por algún canal de información aún desconocido? ¿Qué hace que la función de onda cuántica se derrumbe cuando se mide? ¿Está involucrada la gravedad de alguna manera? Y, ¿es el tiempo una cantidad precisa definida, tal como se describe en la relatividad general, o es vaga tal como se podría esperar de la mecánica cuántica?

Para responder a estas preguntas se requieren aparatos de extraordinaria sensibilidad, dice Jian-Wei Pan. Pero frente a los retos técnicos que plantea, será más fácil ahora que los equipos hayan unido sus fuerzas. El grupo austriaco también está aprovechando la nueva colaboración con entusiasmo. "Uno de mis estudiantes ha empezado a aprender chino", comenta Zeilinger.


- Fuente: Nature 492, 22-25 (6 de diciembre 2012) doi: 10.1038/492022a
- Imagen 1) Jian-Wei Pan en la Universidad Hefei in China, crédito Stefanie Schramm. Imagen 2) Anton Zeilinger, Universidad de Viena, crédito Jacqueline Godany
- Diagramas: Nature.com

Referencias:
(1) Jin, X.-M. et al. Nature Photon. 4, 376–381 (2010). Artículo .
(2) Greenberger, D., Horne, M. A. & Zeilinger, A. in Bell's Theorem, Quantum Theory and Conceptions of the Universe (ed. Kafatos, M.) 69–72 (Kluwer, 1989). Artículo .
(3) Arndt, M. et al. Nature 401, 680–682 (1999). Artículo .
(4) Bennett, C. H. et al. Phys. Rev. Lett. 70, 1895–1899 (1993). Artículo .
(5) Yin, J. et al. Nature 488, 185–188 (2012). Artículo .
(6) Ma, X.-S. et al. Nature 489, 269–273 (2012). Artículo .
(7) Amelino-Camelia, G., Ellis, J., Mavromatos, N. E., Nanopoulos, D. V. & Sarkar, S. Nature 393, 763–765 (1998). Artículo .
(8) Contaldi, C. R., Dowker, F. & Philpott, L. Class. Quant. Grav. 27, 172001 (2010). Artículo .
(9) Rideout, D. et al. Class. Quant. Grav. 29, 224011 (2012). Artículo .