La realidad cuántica revoluciona el mundo de la información

La teoría moderna de la información surgió de los trabajos de Claude Shannon, matemático estadounidense que a finales de la década de los cuarenta del siglo pasado formuló las ecuaciones básicas de dicha teoría.

Un poco antes, los físicos –también norteamericanos- Bardeen, Brattain y Shockley, que trabajaban en los laboratorios Bell, habían inventado el transistor, producto en gran parte de la aplicación de la mecánica cuántica a la física de materiales, y casi al mismo tiempo John von Neumann elaboraba su teoría de los autómatas, origen de la robótica moderna.

Sin duda, estos descubrimientos han sido decisivos para el desarrollo en la práctica de los conceptos de la teoría de la información, y es innegable que la teoría cuántica desempeña un importante papel en la comprensión profunda de los elementos físicos necesarios para este desarrollo.

Es conveniente distinguir el papel de la teoría cuántica en el desarrollo de la instrumentación relacionada con la información de lo que realmente es la información cuántica, la cual posee ciertas características radicalmente diferentes de la información ordinaria o usual (“clásica”).

El qubit, nueva unidad de información

La unidad estructural de la información clásica es el bit (palabra derivada de binary digit), que representa una elección entre dos posibilidades a las que se asigna el valor uno o cero, respectivamente. Las “puertas lógicas”, sobre las que se estructura dicha información, se basan en ese elemento estructural, el bit.

Ahora bien, lo que distingue esencialmente la información cuántica de la clásica o usual es la existencia en aquélla de una nueva unidad de información, el qubit (acrónimo de quantum bit), sin paralelismo en ésta.

Un qubit representa una superposición de los bits 0,1 que se realiza en un mundo estrictamente cuántico, ya que en nuestro mundo clásico tal superposición se reduce necesariamente a uno de sus componentes 0, 1, con probabilidades respectivas que dependen del estado cuántico en cuestión (el famoso “colapso” del estado cuántico que se produce al medir el mismo).

La existencia de qubits, junto al hecho de que dos o más de éstos puedan combinarse en los llamados estados “entrelazados” (entangled), abre un abanico de posibilidades en el dominio de la información completamente desconocidas hasta la fecha.

La principal característica de un estado entrelazado es la presencia de correlaciones cuánticas entre sus componentes, los cuales hacen que las propiedades de aquél no puedan ser analizadas sólo en términos de las de estos últimos, lo cual indica la naturaleza “holística” de la realidad cuántica.

Dos aplicaciones

Las dos aplicaciones más importantes de la información cuántica se dan en el dominio de la criptografía y en el de la computación. Mediante la criptografía cuántica, es posible enviar y recibir mensajes cifrados con la total seguridad de una clave indescifrable. Es más, el procedimiento usado permitiría detectar sin esfuerzo la presencia de terceros que intentaran adentrarse en el sistema de transmisión.

Ningún procedimiento “clásico” puede garantizar una clave totalmente segura ni permite detectar con certeza la presencia de “espías”. Es cierto que las claves basadas en la imposibilidad práctica de descomponer en factores primos un número muy grande (de doscientas cifras, digamos) son bastante seguras en la actualidad, pero esta seguridad se vería seriamente comprometida si los ordenadores cuánticos llegaran a ser una realidad.

Sin entrar en detalles técnicos, puede decirse que la criptografía cuántica actual se basa en la imposibilidad de saber con certeza el estado de polarización en que se ha creado un fotón determinado. Esto es algo característico de la teoría cuántica, pues si la naturaleza se rigiera por leyes clásicas dicho estado podría determinarse mediante una medida adecuada.

Esto no es así según las leyes cuánticas, porque, al medir, el estado se “proyecta” en otro (que depende de las características del aparato de medida), haciendo imposible saber, mediante una sola medición, cuál era el estado inicial.

Experimento exitoso

La criptografía cuántica no pertenece al dominio de la ciencia ficción, pues actualmente se realiza en diversos laboratorios. Se ha logrado la transmisión de mensajes cifrados por este procedimiento entre puntos situados a más de veinte kilómetros conectados por fibra óptica y a varios centenares de metros en el caso de transmisión aérea.

La tecnología necesaria, basada en la óptica cuántica, progresa muy rápidamente, y parece bastante probable que la aplicación “comercial” de la criptografía cuántica, con todas sus enormes implicaciones en un mundo comunicado globalmente via Internet, sea cuestión de unos diez años.

La otra gran aplicación de este nuevo tipo de información se concreta en la posibilidad de construir un ordenador cuántico. Debe advertirse de entrada que esto es algo bastante más difícil que la criptografía cuántica y que su posible realización se prevé en un futuro más lejano. No obstante, es interesante analizar, aunque sea de manera necesariamente superficial, en qué se basa y qué es lo que podría hacer un ordenador cuántico

El auténtico pilar de la computación cuántica es la existencia de qubits y de estados entrelazados de los mismos (de los que se ha tratado al principio). De hecho, el principio cuántico de superposición sería equivalente al uso por parte del ordenador en cuestión de una “lógica cuántica”, en la cual no se cumple el principio del “tercio excluso” clásico, es decir, en la que habría proposiciones que no son ciertas ni falsas (y que vendrían descritas precisamente por estados generales de qubits).

Puertas lógicas cuánticas

Esto permite la construcción de “puertas” lógicas cuánticas, inexistentes por su propia naturaleza en un mundo clásico, es decir, en un ordenador usual, para entendernos, con las que es posible realizar muy eficientemente operaciones que éste (el ordenador usual) no puede realizar o lo hace de manera poco eficiente.

Actualmente se conocen dos operaciones del tipo mencionado: la extracción de los factores primos de un número arbitrariamente grande (algo materialmente imposible para un ordenador “convencional” si el número tiene más de ciento cincuenta cifras) y la obtención de un elemento determinado perteneciente a una lista desordenada, labor que un ordenador cuántico realizaría de manera mucho más rápida que uno convencional. El encontrar otros algoritmos de interés práctico de este tipo constituye un campo de investigación muy potente y de gran interés en la actualidad.

En cuanto a los dispositivos físicos que servirían para la construcción de un ordenador cuántico, éstos son esencialmente de dos tipos: iones confinados en cavidades electromagnéticas y estados RMN (Resonancia Magnética Nuclear) en moléculas. Ambos tienen sus ventajas e inconvenientes, y el futuro dirá cuál de ellos (o tal vez ambos o ninguno) es el más apropiado. Muy recientemente, se ha propuesto un tercer método basado en dispositivos sólidos mesoscópicos (de un tamaño del orden de la micra), pero su desarrollo se encuentra aún en un estado bastante incipiente.

Aparte del necesario progreso tecnológico, la realización de un ordenador cuántico presenta problemas aún más fundamentales que los de la criptografía cuántica. El mayor de ellos tiene que ver con la fragilidad de los estados entrelazados.

El riesgo de la decoherencia

El mínimo contacto de uno de estos estados con el mundo (“clásico”) que lo rodea tiende a romper las correlaciones entre sus componentes, imprescindibles para realizar la computación cuántica; por así decirlo, se obliga al estado cuántico a definirse entre el SI y el NO, abandonando la superposición en que se hallaba, y entonces la computación cuántica no puede llevarse a cabo (esta es la famosa cuestión de la “decoherencia”).

Recientemente, se ha descubierto una técnica, conocida como “corrección cuántica de errores” que alivia en cierto modo este problema, pero una solución satisfactoria del mismo aún está por encontrarse.

Si esto se consiguiera, se daría un paso de gigante en la realización de un ordenador cuántico, entrando así de lleno en una realidad nueva, inquietante pero a la vez prometedora: la realidad de la información cuántica.



José Luis Sánchez Gómez es catedrático de Física Teórica de la Universidad Autónoma de Madrid.



Nota bibliográfica. Prácticamente toda los artículos y libros sobre información cuántica están en inglés; en español, hay algunos artículos de divulgación y noticias acerca del progreso de este campo en las revistas Investigación y Ciencia y Mundo Científico, particularmente en lo referente a la criptografía cuántica. En cuanto a los ordenadores cuánticos, una buena introducción, a un nivel algo más técnico pero bastante accesible a los no expertos, es el artículo de Manuel Calixto “Computación cuántica: un reto tecnológico”, Revista Española de Física, vol. 15, No. 2, págs. 35-43 (2001). Una información bastante completa, no sólo bibliográfica sino también de actividades y links interesantes, puede encontrarse en la página web del Grupo español de Información Cuántica.



Temas relacionados:

PysicsWeb:Trapped ions make logic gates

[Dieter Zeh: la observación es cuántica]article:

[Consiguen la primera teletransportación cuántica a larga distancia]article:

[Penrose pretende abrir el camino a la superposición de estados a nivel humano]article:

2020, la odisea cuántica