per Adrià Labay Mora
Des de Star Trek fins a la porta màgica de Doraemon que tots hem somiat tenir, la idea de teleportar-nos sembla un concepte reservat a la ciència-ficció. La física clàssica ens diu que això és impossible, però la teoria quàntica ens ofereix una perspectiva diferent: sí que es pot teleportar informació, però amb certes limitacions.
Física quàntica en poques paraules
Podem simplificar una de les propietats fonamentals de la física quàntica amb un exemple senzill: una moneda. Aquesta “partícula” té dos estats possibles, cara o creu, i en llançar-la a l’aire sabem que pot caure cara o creu. Abans de mirar-la (o com es diu tècnicament: “mesurar la partícula”), només coneixem que la probabilitat de cada resultat és del 50%. Això és similar a un estat superposat: la moneda es troba en tots dos estats a la vegada fins que la mesurem, moment en què aquest estat col·lapsa en un resultat definit.
L‘entrellaçament és un altre fenomen de la física quàntica que fa possible la teleportació quàntica. Quan dues partícules estan entrellaçades, els seus estats estan correlacionats de tal manera que el coneixement de l’estat d’una partícula ens dona informació immediata sobre l’estat de l’altra, sense importar la distància que les separi. Podem imaginar aquest fenomen com un “pont invisible” que connecta les dues partícules. Quan una de les partícules és manipulada o mesurada, l’estat de l’altra partícula es veu afectat de manera instantània. Per exemple, si tenim dues monedes de les quals sabem que inicialment tenen el mateix estat (ambdues cara o creu) i les donem a dues persones que no han observat les monedes, l’únic que podem saber d’elles és que, si una és cara, l’altra també ho serà, però l’estat concret de la seva moneda encara pot ser 50% cara o 50% creu.
Com funciona la teleportació quàntica
Ara que coneixem les propietats de la superposició i l’entrellaçament, podem explicar el procés de teleportació quàntica. Aquesta tècnica no serveix per enviar objectes físics, sinó per transferir l’estat quàntic d’una partícula (com l’estat superposat de la primera imatge anomenat qubit, l’equivalent d’un bit clàssic) d’un lloc a un altre, utilitzant les propietats de la física quàntica. Acompanyeu-me en aquest exemple per il·lustrar-ho millor:
Imaginem que l’Anna està embarassada a la Terra i el seu marit Bernat ha de partir cap a Mart. Abans de separar-se, l’Anna i el Bernat preparen un parell de partícules entrellaçades (una mena de monedes quàntiques) que utilitzaran per transmetre’s informació. Concretament, si l’Anna dona a llum mentre ell és fora, li comunicarà quin és el sexe del nadó. Així, l’Anna es queda amb una d’aquestes partícules, i el Bernat se n’emporta l’altra a Mart. L’entrellaçament crea una connexió quàntica entre les dues partícules, com un fil invisible que uneix els dos destins.
Quan l’Anna finalment dona a llum i vol comunicar-ho al Bernat, ho fa utilitzant una tercera partícula on guarda la informació que vol transmetre (una altra moneda que indica que si és cara és nena i si és creu, nen). Per exemple, en la segona figura veiem un cas en què l’Anna ha tingut un nen i, per tant, col·loca la nova moneda marró en creu. Tot seguit, realitza una mesura conjunta de la seva partícula entrellaçada i de la partícula amb la informació, cosa que provoca que l’estat del sistema total col·lapsi en un resultat definit. Aquesta mesura altera de manera instantània l’estat de la partícula que té el Bernat a Mart, l’entrellaçament es desfà i ambdues partícules esdevenen de manera aleatòria cara amunt. Tot i això, ell desconeix tot el que ha succeït; com pot saber que l’Anna a donat a llum i per tant la seva partícula ja conté el resultat?
Doncs bé, aqui entra la gran contrapartida de la teleportació, perquè el Bernat rebi correctament la informació, l’Anna ha de fer una comunicació clàssica (per exemple, una trucada o un missatge de text) per dir-li que ja li ha enviat i la pot mesurar. Si ell la mesurés sense aquesta informació l’únic que faria seria destruir l’entrellaçament i obtenir un resultat aleatori en les seves partícules entrellaçades. A més, l’Anna durant la trucada li ha de dir si les dues partícules que ha mesurat tenien el mateix estat o estats diferents (en aquest cas diferents ja que la marró és en creu i l’entrellaçada en cara). Així, el Bernat sap que pot mesurar la partícula però que l’ha de girar per a recuperar la informació original.
Aquest “pont” entre les partícules no transporta informació de manera directa, sinó que permet que els estats de les partícules estiguin coordinats. Aquest és un punt clau: tot i que l’entrellaçament crea una connexió immediata, no es pot utilitzar per transmetre informació més ràpidament que la llum. Per completar el procés de teleportació, encara és necessària una comunicació clàssica.
Avantatges i investigació
Tot i que la teleportació quàntica no és un procés instantani, presenta un avantatge fonamental en termes de seguretat i eficiència en la transmissió d’informació. A diferència de les comunicacions clàssiques, en les quals l’estat de la informació es pot interceptar fàcilment, la teleportació quàntica utilitza les propietats de l’entrellaçament per garantir que la informació transmesa sigui completament segura. Aquesta seguretat es deu al fet que l’única informació que es transmet de manera clàssica és sobre l’estat de correlació, mentre que l’estat original de la informació quàntica mai es revela directament.
A més, hi ha una altra raó per la qual aquesta tecnologia és revolucionària: s’ha demostrat que funciona. Experiments realitzats a laboratoris d’arreu del món han verificat la viabilitat de la teleportació quàntica. Un dels centres més destacats en aquest àmbit és l’Institut de Ciències Fotòniques (ICFO), situat a Castelldefels, on s’han dut a terme experiments pioners en teleportació quàntica amb partícules de llum (fotons). Aquests experiments han aconseguit teleportar informació quàntica a distàncies significatives, i han demostrat que la física quàntica pot ser una eina potent per a la comunicació segura i la computació del futur.
Tot i que la velocitat de la llum imposa un límit a la rapidesa amb què es pot completar el procés de teleportació, aquest mètode té el potencial de transformar la manera en què compartim informació en xarxes de comunicació quàntica. Amb els avenços actuals en recerca, com els realitzats a l’ICFO, cada cop estem més a prop de crear una xarxa quàntica similar a l’internet actual, que podria permetre comunicacions ultrasegures.
Ja per acabar…
Així, tot i que encara no ens podem teleportar com els personatges de ciència-ficció, la física quàntica està revolucionant la forma en què pensem sobre la transmissió d’informació i ens acosta cada cop més a un futur on la teleportació d’estats quàntics sigui una eina quotidiana en el món de les tecnologies de la informació.
Per saber-ne més
Quanta Magazine – Quantum teleportation
Youtube – Quantum Internet
ICFO – Es transmet entrellaçament entre llum i matèria a la xarxa metropolitana de Barcelona
Sobre l’autor: Adrià Labay Mora
Graduat en Física a la Universitat Autònoma de Barcelona i especialitzat en Física Quàntica en el màster a la Universitat Tècnica de Delft. Actualment cursant el doctorat a la Universitat de les Illes Balears en el camp de les memòries quàntiques. Des de sempre fascinat amb les paranoies intrínseques d’aquesta teoria que ha revolucionat les nostres vides. I que, a poc a poc, vaig descobrint fins al punt que espero, algun dia, poder arribar a descobrir “que és ψ?”
Imatges 1 i 2 de font pròpia
Revisors: Mar Barrantes Cepas, Nil Salvat Rovira i Víctor Naharro Oriol
