El entrelazamiento cuántico es una de las propiedades más difíciles de comprender de la mecánica cuántica, del mismo modo, también es un tema fascinante que tiene una aplicación muy importante en la computación cuántica.
Desde el punto de vista de partículas, el entrelazamiento se trata de un fenómeno físico en el que dos más partículas subatómicas están unidas, de modo que el estado de una afecta a la otra, no importa cuán separadas estén entre ellas. Y este punto es el que cuesta comprender, porque intuitivamente no es fácil de visualizar ni creer; sin embargo, es una propiedad que se ha estudiado y comprobado experimentalmente.
De hecho, el mismo Einstein dudaba de que esta situación fuera cierta, de aquí que los científicos estaban divididos, los que estudiaban el proceso, y los que no se atrevían a contradecir o dudar del propio Einstein. Sin embargo, esto no se pudo corroborar hasta que dispusiera del nivel tecnológico para medirlo.
¿Cómo funciona el entrelazamiento cuántico, desde el punto de vista de física de partículas?
Se dice que dos o más partículas subatómicas están entrelazadas, cuando sus en sus estados cuánticos están correlacionados. Esto es equivalente al decir que, si medimos las propiedades en una partícula 1, la partícula 2 imitará un resultado prácticamente predecible, sin importar la distancia entre ellas, desde nanómetros hasta muchos años luz.
Es por esto que el gran físico del siglo XX, Albert Einstein, la definió como: «Acción fantasmal a distancia». Es por esto que algunos hablan de que esta extraña conexión ‘instantánea’ entre las partículas, aparentemente rompería las leyes fundamentales del universo.
El ejemplo más usado para visualizar la idea es el siguiente (ver la imagen arriba): Si tenemos dos electrones entrelazados, al medir el spin en el primero de ellos (en color lila) está hacia arriba +1/2, inmediatamente sabremos que el segundo tendrá el spin en el otro sentido, hacia abajo (-1/2).
Y esta medición es clave en tecnologías cuánticas que han ido apareciendo los últimos años.
¿En qué aplicaciones es clave el entrelazamiento cuántico?
Hay tres situaciones en que el fenómeno físico cuántico, deja de ser más que una simple teoría. Tiene tres aplicaciones prácticas directas, y dos de ellas, puede ser que las hayas leído en el sitio:
Teletransportación cuántica: no se refiere al transporte de materia de un lugar a otro, como en las películas de Star Trek; se refiere a transmitir informaciones cuánticas de un lugar a otro entre partículas entrelazadas.
La criptografía cuántica es otro de los procesos que se han transformado en tendencia estos últimos años en el área de ciberseguridad, ya que este campo puede generar procesos criptográficos hiperseguros. Al tratar de interceptar la información encriptada, notificaría inmediatamente al qubit entrelazados por el hecho de que alteraría el estado cuántico de ellos, notificando a los usuarios o autodestruyendo la información.
En el campo de la computación cuántica, de manera resumida, el entrelazamiento permite que las computadoras puedan ejecutar cálculos con mucha mayor rapidez que las tradicionales. Ahora veamos en detalle este tema.
¿Y en la computación cuántica?
El entrelazamiento es una de las características clave que diferencia una PD clásica de una cuántica; ya que junto a la superposición permite ejecutar cálculos exponencialmente más grandes que los tradicionales.
Para entender cómo esto funciona, primero recordemos que la información de nuestros equipos se procesa a través de 1 y 0; en cambio, en la computación cuántica se hace a través de qubits (su unidad fundamental).
Aquí aplican las leyes de la mecánica cuántica, nunca vamos a tener la certeza sobre el valor que los qubits pueden adoptar. Por esto, los qubits no toman un solo valor discreto (0 ó 1), sino que, en rigor, los contiene a ambos al mismo tiempo, es otro proceso llamado superposición cuántica.
En particular, y de manera técnica, para quien esté interesado:
[…]Los qubits se representan como una combinación lineal de vectores, en donde el 0 y 1 son los vectores, y cada uno es ponderado por un coeficiente, cuyos cuadrados representan la probabilidad de que salga uno u otro. Particularmente, estos coeficientes incluso pueden ser números complejos. El equivalente a las puertas lógicas clásicas (AND, OR, etcétera, que sirven para poder armar los algoritmos) son mucho más complejas de tratar, pero es interesante notar que son representadas por matrices unitarias cuadradas.
Con esto en mente, que dos o más cubits estén entrelazados, significa que sus estados ya no son independientes entre sí, es decir, ahora observamos un sistema cuántico como un todo interconectado. De ahí que la velocidad de procesamiento sea mucho mayor, ya que una computadora cuántica procesa información de manera más eficiente al manipular múltiples estados simultáneamente.
El entrelazamiento es un paso muy importante en algoritmos como el que permite factorizar números grandes (llamado Short), o bien, el algoritmo para búsquedas más rápidas, llamado Grove.
También es así como en la corrección de errores cuánticos y la comunicación segura; grandes firmas como Google e IBM ya lo utilizan en procesadores experimentales.
¿Cómo afecta en la corrección de errores en la computación cuántica?
Si hay un punto por el cual la computación cuántica no ha explotado como se viene esperando hace años, es por la cantidad de errores que esta arroja. Esto se debe a que los qubits son muy sensibles a las interferencias externas, que son los que generan las fallas en los cálculos.
Para verificar si no han sido afectados los qubits, estos son entrelazados con qubits auxiliares, de modo que, si el cálculo es correcto, al medir el qubit auxiliar, se podrían verificar si hay alteraciones en el original.
En el papel, es casi la misma idea que con criptografía cuántica, con el qubit auxiliar puedes avisar cuándo fue interceptado, y determinar si está con falla.
Este método se va ha vuelto una herramienta clave para la creación de nuevas generaciones de computadores cuánticos, ya que permite proteger los cálculos decoherencia cuántica, un problema crítico en esta tecnología.
¿Cuéntanos si te interesa que veamos más de estos temas?
