¿Qué es el entrelazamiento cuántico y cómo funciona?

El Premio Nobel de Física 2022 fue otorgado a tres científicos por sus contribuciones pioneras a la comprensión del entrelazamiento cuántico. Este fenómeno es increíblemente misterioso y puede resultar confuso incluso para los expertos. Significa que dos partículas, como electrones o fotones, están conectadas sin importar qué tan lejos estén o qué haya entre ellas.

Lo extraño del entrelazamiento cuántico es que, aunque dos partículas puedan estar a millones de kilómetros de distancia, si mides algo sobre una partícula del par, instantáneamente sabes algo sobre la otra. Albert Einstein denominó esta «acción espeluznante a distancia». Es como si estas dos partículas tuvieran un vínculo inexplicable a pesar de estar tan separadas.

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Hasta la década de 1970, los investigadores no estaban seguros de si el entrelazamiento cuántico era real. Incluso Einstein tenía dudas al respecto. Se necesitaron nuevas tecnologías y científicos que fueron lo suficientemente valientes para investigar más a fondo antes de que finalmente pudiéramos llegar al fondo de tal fenómeno.

Entonces, embarquémonos en este viaje para desentrañar los misterios del entrelazamiento cuántico y comprender sus profundas implicaciones en el ámbito de la física y más allá.

¿Qué es el entrelazamiento cuántico?

El entrelazamiento cuántico es un fenómeno en el que dos partículas están correlacionadas independientemente de su distancia entre sí. Esto significa que cuando las propiedades físicas o «estados» de una partícula cambian, instantánea y simultáneamente, la otra partícula también adoptará ese mismo estado a pesar de estar en un lugar distante.

Intuitivamente hablando, parece como si las partículas entrelazadas estuvieran conectadas como eslabones de una cadena. Cada anillo comunica instantáneamente su atracción gravitacional a todos los anillos cercanos más allá del contacto físico.

Se ha observado que la correlación entre dos partículas entrelazadas supera las meras coincidencias. Supera todas las leyes de la física que gobiernan las interacciones físicas que ocurren en un espacio local. Debido a la Teoría de la Relatividad, que afirma que nada puede viajar más rápido que la luz, estos cambios instantáneos no pueden explicarse mediante métodos convencionales.

Entonces, esto nos deja con correlaciones no locales, que son efectivamente una conexión instantánea entre dos estados, incluso si pueden estar muy separados espacialmente entre sí.

Entrelazamiento cuántico: una definición exacta

El entrelazamiento cuántico es un fenómeno sorprendente en la física cuántica donde partículas como fotones, electrones, átomos o moléculas permanecen conectadas incluso si están separadas por largas distancias. En otras palabras, cuando estos objetos interactúan físicamente, los estados individuales de cada partícula se vinculan, y esta conexión permanece incluso cuando aumenta su separación física. Este tipo de conexión es posible gracias a lo que la mecánica cuántica llama una «fuerza entrelazante» invisible.

Cuando se trata de partículas, cuando hay múltiples grados de libertad presentes en un sistema, pueden existir juntas al mismo tiempo en más de una forma. Pensemos en un electrón que orbita alrededor de su núcleo. En lugar de permanecer estrictamente en un estado u otro, existe en ambos estados simultáneamente hasta que lo medimos y observamos su resultado. Esto significa que incluso si dos partículas están muy separadas una de otra, seguirán unidas por su relación de entrelazamiento. Entonces, observar algo sobre una partícula nos dirá algo sobre la otra.

La historia del entrelazamiento cuántico

El estudio del entrelazamiento cuántico se remonta a 1935, cuando Albert Einstein, Boris Podolsky y Nathan Rosen postularon por primera vez el fenómeno en su famoso artículo ¿ Se puede considerar completa la descripción mecánico-cuántica de la realidad física? Propusieron un experimento mental que cuestionaba si las partículas cuánticas podrían permanecer correlacionadas incluso después de la separación. Esto provocó décadas de investigación para comprender las implicaciones del entrelazamiento en términos de física e informática .

Desde entonces, varios pensadores clave han realizado contribuciones fundamentales, como John Bell, Michael Freedman y Stephen Wiesner, entre otros. Los aspectos teóricos se desarrollaron ampliamente gracias a estos pioneros y nos brindaron una visión más profunda de los sistemas entrelazados.

Einstein y otros teorizaron sobre el concepto de entrelazamiento, pero se necesitaron décadas para que se llevara a cabo la experimentación. Finalmente, en 1993, Claudio Maccone propuso que los estados entrelazados podrían comunicarse más rápido que la velocidad de la luz, lo cual fue notable considerando lo que nos ha enseñado la relatividad. En 2003, Hans Briegel logró un gran avance con su Protocolo de identificación.

Luego, Nicolás Gisin et al. Continuó la investigación en 2005 sobre la creación confiable de qubits remotos. Florentin Maunz rápidamente siguió su ejemplo utilizando pulsos de láser óptico controlados a través de átomos o iones dentro de trampas para ampliar las mediciones de microondas en 2014.

Nuestro conocimiento de los sistemas entrelazados ha crecido rápidamente en los últimos años. Hemos pasado de utilizarlo para mejorar algoritmos informáticos a investigar e intentar desarrollar una Internet cuántica.

Un ejemplo de esto es Syegeforce, que se presentó en 2019 y se enfoca en analizar redes en múltiples plataformas, permitiendo que la información de las computadoras distribuidas permanezca segura gracias a los protocolos de seguridad proporcionados por la criptografía. Este tipo de dispositivos criptográficos pueden aumentar las velocidades computacionales mucho más allá de lo que podíamos alcanzar anteriormente. Sólo cuando el hardware mejorado se vuelve más rentable estamos ahora más cerca de hacer posibles las ideas de Einstein.

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¿Cómo funciona el entrelazamiento cuántico?

El entrelazamiento cuántico es un fenómeno extraño pero real en el que dos partículas pequeñas forman una conexión inusualmente fuerte conocida como correlación cuántica. Se vinculan independientemente de qué tan lejos estén una de otra, incluso si una partícula está en la Tierra mientras la otra está a años luz de distancia. Esto significa que cuando algo le sucede a uno de ellos, como una medición o manipulación, le sucederá lo mismo a su compañero enredado sin importar cuánto espacio los separe.

La clave de este vínculo reside en su función de onda, una expresión matemática basada en la teoría de la probabilidad que describe completamente un sistema cuántico. Las partículas entrelazadas tienen «firmas» coincidentes, por lo que cualquier cosa que afecte a una partícula también afecta a su contraparte, incluso a través de distancias interestelares. En algunos casos, las mediciones realizadas en cualquier aspecto de cualquiera de los fotones pueden afectar las propiedades de los demás simultáneamente.

Finalmente, uno de los aspectos más misteriosos del entrelazamiento se conoce como «no localidad». En términos simples, esto significa que al medir o interactuar con una partícula entrelazada, la otra se correlacionará instantáneamente, sin importar qué tan lejos estén en el espacio y el tiempo. Actualmente, los físicos entienden estos principios a nivel teórico, pero su aplicación se extiende mucho más allá de la industria y la investigación.

¿Cuáles son las aplicaciones del entrelazamiento cuántico?

Criptografía cuántica

La criptografía cuántica es un tipo de método de cifrado que utiliza bits cuánticos entrelazados (qubits). Este sistema aprovecha los principios del entrelazamiento cuántico, donde las partículas de dos qubits permanecen conectadas incluso cuando están separadas por la distancia. Es más seguro que los métodos criptográficos existentes, ya que cualquier intento de obtener acceso o interrumpir el enlace provoca una distorsión detectable, que alertará tanto al remitente como al receptor de una transmisión.

Cuando se aplica correctamente, esto proporciona un nivel de seguridad inquebrantable para los usuarios y tiene aplicaciones potenciales en sectores como TI de atención médica, sistemas bancarios, comunicaciones militares, redes de IoT y más.

Los ejemplos incluyen protocolos como el protocolo BB84, que permite la transferencia de datos a través de estados de polarización, y el protocolo Ekert, que utiliza fotones entrelazados para comunicarse de forma segura. Las posibilidades de la criptografía cuántica son infinitas. Actualmente se están llevando a cabo muchas formas de investigación sobre cómo se pueden utilizar más estas tecnologías.

Computación cuántica

Se trata de una forma revolucionaria de computación basada en la mecánica cuántica. Aprovecha fenómenos cuánticos como la superposición y el entrelazamiento para resolver problemas complejos que actualmente son inviables con las computadoras tradicionales. El componente central de este tipo avanzado de computación es el uso de partículas entrelazadas, conocidas como qubits.

El entrelazamiento cuántico permite vincular ciertas propiedades o estados, lo que significa que cualquier cambio en una partícula afectará inmediatamente a la otra independientemente de su distancia entre sí. Este fenómeno proporciona un inmenso beneficio a los cálculos debido a su capacidad de difundir información a través de una red dinámica sin comprometer la seguridad. Como resultado, tiene amplias aplicaciones que incluyen criptografía, imágenes médicas, algoritmos inteligentes para vehículos/robots autónomos y aprendizaje automático.

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Detección e imágenes

La detección y la obtención de imágenes utilizan el entrelazamiento cuántico para medir señales o entidades increíblemente pequeñas, con una precisión que va más allá de la que ofrecen las técnicas clásicas. Los estados entrelazados mejoran la precisión de las mediciones al permitir que se libere más información en cada medición de la que sería posible sin ella. Esta precisión mejorada se puede utilizar para detectar y cuantificar cambios muy pequeños dentro de un sistema determinado, proporcionando así detalles mucho más finos que los sensores tradicionales.

El entrelazamiento cuántico tiene aplicaciones en campos como las imágenes médicas, la espectroscopia, la microscopía, las comunicaciones ópticas y los sistemas de seguridad. Además, los avances tecnológicos han permitido a los investigadores explorar su aplicación en el estudio de sistemas mesoscópicos, incluidas las células para aplicaciones sanitarias.

Metrología cuántica

Este es un subcampo de la mecánica cuántica centrado en el uso de tecnologías cuánticas para aumentar la exactitud y precisión más allá de lo que es posible con las técnicas clásicas. Explota principios como el entrelazamiento, la superposición y la interferencia para lograr su objetivo. Los estados entrelazados se emplean en esto creando un sistema interdependiente entre partes que no interactúan de modo que la medición de una parte también pueda proporcionar información sobre la otra.

Esto se ha utilizado para crear instrumentos excepcionalmente sensibles para mediciones como la detección de ondas gravitacionales y relojes atómicos, donde se necesita una mayor precisión. Además, las partículas entrelazadas operan sobre moléculas a escalas mucho más pequeñas que con las técnicas metrológicas tradicionales. Eso permite avances innovadores en nanotecnología, ciencia de materiales y aplicaciones de biodetección.

Teletransportación cuántica

La teletransportación cuántica es un proceso en el que la información sobre un estado cuántico, como la posición, el impulso y el giro de una partícula, se puede transferir de un lugar a otro mediante entrelazamiento. Este método utiliza un par entrelazado que consta de dos partículas que están conectadas incluso cuando se encuentran muy separadas. Los estados entrelazados permiten la transferencia instantánea de información entre ubicaciones sin ninguna comunicación física o movimiento entre ellas.

Los protocolos de teletransportación cuántica utilizan operaciones especiales sobre ambas partículas entrelazadas simultáneamente, junto con el clásico canal de comunicación entre ellas. Los experimentos han demostrado que es posible teletransportar con precisión ciertas propiedades, como la energía y el momento angular, a distancias de hasta 10 km. Las aplicaciones potenciales van desde la comunicación y el cifrado hasta la computación cuántica, las redes y los sistemas distribuidos tolerantes a fallos.

Pruebas fundamentales de la mecánica cuántica

La mecánica cuántica es una rama de la física que postula que el comportamiento de los componentes de materia y energía puede explicarse mejor a nivel atómico y subatómico. Se basa en principios como la dualidad onda-partícula, incertidumbre, aleatoriedad, no localidad, entrelazamiento y superposición.

Se han ideado pruebas experimentales para comprobar estos postulados, siendo el entrelazamiento cuántico uno de ellos. La desigualdad de Bell sirve como herramienta fundamental en estos experimentos al probar la incompatibilidad del realismo local con las predicciones de la mecánica cuántica. Estos experimentos son importantes para verificar conceptos fundamentales en la naturaleza.

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Beneficios del entrelazamiento cuántico

El entrelazamiento cuántico es un fenómeno que ocurre entre dos partículas en el que los estados cuánticos de cada partícula de un par están correlacionados. Esto significa que, cuando una partícula en estado entrelazado experimenta un cambio, su compañera situada a cualquier distancia experimenta instantáneamente el mismo efecto y también cambia. Los siguientes son algunos de los beneficios del entrelazamiento cuántico:

• Comunicación rápida: el entrelazamiento cuántico se puede utilizar para crear redes en las que la información pueda viajar más rápido que los métodos de comunicación tradicionales. Como se mencionó anteriormente, los pares de partículas entrelazadas responden instantáneamente independientemente de la separación distante. Esto hace posible que los puntos de dichas redes se comuniquen casi instantáneamente a través de largas distancias e incluso a través de diferentes regiones.
• Seguridad mejorada: una característica muy privada asociada con las redes cuánticas gira en torno a su indomabilidad ante los ataques. Dado que no existiría la posibilidad de reconocimiento visual o interrupción, los espías que monitorean las comunicaciones nunca podrían violar los datos confidenciales que se transfieren del punto A al B. Los piratas informáticos serán detectados mediante mecanismos de verificación automática dentro de estas redes protegidas.
• Mediciones mejoradas: la confiabilidad a través de conexiones remotas es alta en el entrelazamiento cuántico, debido a que evita perfectamente obstáculos físicos o contaminación acústica, lo que permite a los investigadores realizar mediciones más precisas que nunca junto con las operaciones de medición convencionales.
• •Potencia computacional de alta precisión : Se prevé que la computación cuántica se convierta en uno de los mayores avances desde el de las computadoras normales. Es capaz de resolver grandes problemas en mucho menos tiempo que las máquinas clásicas.

Conclusión

El entrelazamiento cuántico es un fenómeno mecánico en el que dos partículas se unen, independientemente de la distancia entre ellas. Cuando el estado de una partícula cambia, la otra partícula también cambiará instantáneamente.

Albert Einstein se refirió a este fenómeno como “acción espeluznante a distancia”. Esto ocurre incluso cuando las partículas están separadas por distancias espacio-temporales y muestran no localidad; no se puede explicar mediante la física clásica.

El entrelazamiento cuántico se puede utilizar para diversas aplicaciones, como comunicación instantánea, claves de cifrado seguras y teletransportación para romper los límites de la velocidad de la luz. Su importancia radica en su potencial para revolucionar tanto las comunicaciones como la informática. Continúan las investigaciones para comprender cómo funciona a escalas mayores con más de dos partículas entrelazadas simultáneamente.

Preguntas frecuentes

¿Qué es el entrelazamiento cuántico?

El entrelazamiento cuántico es un fenómeno de la física cuántica en el que dos o más partículas se interconectan de tal manera que sus estados están correlacionados y vinculados, independientemente de la distancia entre ellas.

¿Es el entrelazamiento cuántico una forma de teletransportación?

Sí, el entrelazamiento cuántico a menudo se asocia con el concepto de teletransportación cuántica. La teletransportación cuántica es un proceso que permite la transferencia de estados cuánticos de una partícula a otra, incluso si están físicamente separadas. Utiliza el fenómeno del entrelazamiento cuántico para transmitir la información cuántica instantáneamente.

En la teletransportación cuántica, las partículas entrelazadas sirven como canal de comunicación. Al realizar mediciones específicas en una partícula y transmitir los resultados a la otra partícula entrelazada, el estado cuántico de la primera partícula se puede transferir a la segunda partícula, «teletransportando» efectivamente la información.

Es importante señalar que la teletransportación cuántica no implica la transferencia física real de partículas de un lugar a otro. En cambio, permite la transferencia de estados cuánticos, que son propiedades fundamentales de las partículas, como su giro o polarización. La teletransportación cuántica tiene un gran potencial para aplicaciones de comunicación segura y computación cuántica.

¿Se puede observar enredo en objetos cotidianos?

No, el entrelazamiento se observa típicamente en el ámbito de la mecánica cuántica y a escala de partículas o sistemas individuales. Los objetos cotidianos, que constan de numerosas partículas en disposiciones complejas, no presentan entrelazamientos de forma perceptible u observable.

El entrelazamiento surge del comportamiento único de los sistemas cuánticos, donde las partículas se correlacionan e interconectan de tal manera que el estado de una partícula se entrelaza o vincula con el estado de otra partícula, independientemente de la distancia física entre ellas. Estos estados entrelazados exhiben propiedades peculiares, como correlaciones no locales y conexiones instantáneas.

Si bien el entrelazamiento en sí no es observable en objetos cotidianos, sus efectos pueden observarse indirectamente en ciertos experimentos y fenómenos cuánticos.

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¿Existen aplicaciones prácticas del entrelazamiento cuántico?

Sí, el entrelazamiento cuántico tiene varias aplicaciones prácticas. Estos incluyen la criptografía cuántica para una comunicación segura, la teletransportación cuántica para transmitir información cuántica y el potencial de la computación cuántica para resolver problemas complejos de manera más eficiente que las computadoras clásicas.

¿Se puede explicar el entrelazamiento cuántico mediante la física clásica?

No, el entrelazamiento cuántico es un fenómeno puramente mecánico cuántico que no puede explicarse mediante la física clásica. Desafía las intuiciones clásicas y desafía la noción de localidad y causalidad.