Apuntes científicos desde el MIT

Apuntes científicos desde el MIT

Este Blog empezó gracias a una beca para periodistas científicos en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en Boston, donde pasé un año aprendiendo ciencia con el objetivo de contarla después. Ahora continúa desde Nueva York buscando reflexiones científicas en otras instituciones, laboratorios, conferencias, y conversando con cualquier investigador que se preste a compartir su conocimiento.

Qué diantre es el entrelazamiento cuántico

Por: | 19 de noviembre de 2009

Imagínate un par de electrones como si fueran dos monedas idénticas en las que una marca cara y la otra cruz.

Ahora imagínate que ambas monedas poseen esta peculiar propiedad: van alternando cara y cruz a su aire, pero nunca están ambas en la misma posición. Forman parte de un mismo orbital atómico, y por algo llamado principio de exclusión de Pauli, siempre que una esté en cara, la otra marcará cruz. Si yo voy y giro una, la otra se girará automáticamente a la posición opuesta. Espera, no te vayas, continúa leyendo, valdrá la pena lo prometo. Te voy a explicar uno de los fenómenos más inverosímiles de la naturaleza.

Estábamos con esas monedas-electrones que van cambiando constantemente entre cara y cruz, pero que de alguna manera están entrelazadas: Según las leyes de la cuántica, nunca pueden estar ambas en cara o en cruz a la vez. Es físicamente imposible.

Imaginemos un poco más: Coges con delicadez ambas monedas-electrones, las metes en sendas cajitas sin mirar todavía qué marca cada una, y sin romper su entrelazamiento cuántico te las llevas una a Nueva York y la otra a Bangkok. ¿Qué tendrás entonces? Dos monedas, una en NY y la otra en Bangkok, que en teoría van pasando de una posición a otra, pero continúan conectadas entre ellas. Si en un momento determinado abres la caja de Nueva York y ves la moneda en cruz, la de Bangkok se paraliza de golpe en cara. Y si hubieras abierto la misma caja unos milisegundos más tarde y te hubiera salido cara, la otra se habría colapsado en cruz inmediatamente (recalquemos el inmediatamente). Esto, en teoría cuántica. A la práctica… ¿creéis que esto podría llegar a suceder?

Vayamos ahora a ese apasionante primer tercio del siglo XX, en el que la relatividad de Einstein y la mecánica cuántica competían para ver quien explicaba mejor la realidad del mundo que nos contiene.

Einstein no se tragaba algunas de las asunciones de la cuántica, sobre todo ese principio de indeterminación de un tal Heisenberg, según el cual en el mundo subatómico no había certezas y resultaba físicamente imposible conocer la posición y movimiento exactos de una partícula en un instante determinado. O esas atroces ecuaciones de su estrambótico colega Schrödinger, implicando que las partículas estaban dispersas en varios lugares a la vez y su estado sólo quedaba definido en el momento que alguien las observaba. “¡Claro que estaban definidas! ”, pensaba Einstein, ”y si la cuántica tenía indeterminaciones, debía ser porque todavía no estaba desarrollada del todo…”. Y para demostrarlo, en 1935 Einstein propuso junto con Podolsky y Rosen el experimento mental EPR, que reflejaba una situación análoga a las cajitas con monedas cara – cruz separadas miles de kilómetros de distancia.

En resumidas cuentas, lo que venía a decir Einstein era que si al abrir la caja de Nueva York ves a la moneda en cara, y de golpe la de Bangkok aparece en cruz, será que… ¡siempre habían sido cara y cruz respectivamente!!! ¿Qué historia era esa de que las partículas van cambiando de estado y comunicándose misteriosamente? Si al abrir la caja te hubiera salido cruz, pues esa moneda contenía la propiedad cruz. Y la otra cara. Y punto. ¿Por qué lo tenía tan claro Einstein? Porque siendo de otra manera se rompía un principio fundamental de las leyes de la naturaleza: “Si con la paradoja EPR coges dos partículas entrelazadas cuánticamente y te llevas una al otro extremo del sistema solar… físicos cuánticos locos; ¿me estáis diciendo que al observar una colapso inmediatamente la otra? Imposible! ¿pero no os dais cuenta que esto es una barbaridad?”. Este inmediatamente rompe con el principio relativista de que nada puede viajar más rápido que la luz. Ni siquiera la información. “¿O acaso tenéis alguna explicación coherente al experimento EPR?”, planteaba Einstein. En realidad, no la tenían. A lo único que podían aferrarse Schrödinger y Heisenberg era a sus ecuaciones matemáticas. La lógica en este caso estaba de parte de Einstein: Si le dices a un tipo en Bangkok que abra una caja y ve una moneda en cruz, no le hagas creer que segundos antes era cara. Bueno… eso quizás podría ser… pero lo que no cuela de ninguna manera es que otra moneda en New York vaya cambiando simultáneamente con la primera.

Lógico el planteamiento de Einstein, no?... Ja! Muerte a la lógica!!! Que le den al sentido común!!! Viva ciencia!!! Por muy inverosímil que os parezca, los físicos cuánticos tenían razón!!! Einstein andaba equivocado, y se hubiera comido su paradoja EPR si hubiera vivido más tiempo.

En 1964 el irlandés John Bell publicó un teorema que escondía un posible experimento para poner a prueba la paradoja EPR, y comprobar si la información podía viajar de manera inmediata entre dos partículas entrelazadas cuánticamente. Bell construyó su teorema con la idea de dar la razón a Einstein, y probar que dos partículas no podían estar correlacionadas hasta el grado que aseguraba la cuántica. Bell no llegó a realizar su experimento, pero en 1982 sí pudo hacerlo el francés Alain Aspect. ¿Y sabéis qué? Exacto!!! Contrariamente a lo que Bell y Einstein suponían, cuando por fin se pudo realizar el experimento EPR, quedó demostrado que dos fotones entrelazados cuánticamente sí podían comunicarse sus propiedades de manera instantánea a pesar de estar separados largas distancias. La paradoja EPR dio la razón a la cuántica, demostrando de nuevo que la realidad es más insólita de lo que podemos llegar a imaginar: Si tienes dos electrones entrelazados uno en NY y el otro en Bangkok, y al mirar a uno ves que es cara, el otro inmediatamente será cruz. Y si te hubieras esperado unos instantes y hubiera salido cruz, el otro sería cara. Fantástico!

Ah!, y no hay truco. Esto se ha corroborado en muchísimas otras ocasiones.

Si os sentís incrédulos, perplejos, pensáis que algo no encaja, o creéis que no habéis terminado de entender el fenómeno en profundidad… no os preocupéis; a la mayoría de físicos también les ocurre.

Quizás por eso, mientras unos intentan aprovechar las propiedades de este misterioso entrelazamiento cuántico en criptografía, computación cuántica, o teletransportación, otros nos quedamos simplemente ensimismados con las fabulosas elucubraciones filosóficas que el entanglement implica sobre la estructura de la naturaleza, fascinados con las viejas-nuevas historias, y expectantes de qué nuevas sorpresas nos irá deparando esta maravilla que es la comprensión científica del mundo.

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Hay 124 Comentarios

Hola amigos, ya que veo que hay bastante interes en entender el mundo cuantico, aqui os pongo un fragmento de la pelicula "What the bleep do we know" explicando el experimento dela doble rendija: http://www.youtube.com/watch?v=w2HPID2i2tY Espero que lo entendais, pues esta explicado de forma muy didactica. A disfrutar.

Siento llegar tarde al tema pero aquí lo dejo. Cuando yo estudiaba físca ( en el pleistoceno inferior ) dudo mucho que alguien pudiera decir que coges con delicadeza dos electrones y los metes en sendas cajitas. Me da la impresión de que, de partida, ya se está violando la mecánica cuántica. ¿Realmente se puede hablar de posicionar UN electrón preciso que además está precisamente caracterizado porque es la pareja de otro con el cual está entrelazado quánticamente? Estamos hablando de electrones de cuya posición accesible conocemos en términos de probabilidad. En el plesitoceno inferior se hablaba por eso del "ibre albedrío de los electrones". Voy a intentar hacer un poco de "poesía". Imaginemos que mi esposa y y yo somos la pareja de electrones. Imaginemos que uno de los dos tiene que cuidar la casa para que el otro pueda salir. Obviamente si en un momento me ves fuera es porque mi esposa está dentro y viceversa. Esa obligación de cuidar la casa nos liga. El tema está en que si conoces de antemano esa propiedad ( la informacion no ha circulado sino que estaba establecida de antemano) según te encuentres conmigo en casa o fuera puedes estar seguro de que mi esposa está fuera o en casa. El problema es que tu a mí no me conoces ni vas a poder encontrarme. Podrás ir poniendo condiciones y sacando conclusiones: Si soy judio, es sábado por la mañana etc... mi mujer, probablemente estará en casa porque yo estaré en la sinagoga. Pero no veo como nos vas a identificar a mi esposa y a mi entre los millones de judios que nos permiten hacer esta afirmación estadística. No se si estoy confundiendolo todo pero esa era una de las firmes convicciones que me quedaban de aquella época. Saludos y felicidades por hacer entretenido un tema tan "extraño"

Ese es el unico ejemplo que conoces? Yo conozco cientos en USA. Somos una mierda de pais, esta a la vista.

Por lo visto el anterior comentarista no conoce a Juan Ignacio Cirac, por poner sólo un ejemplo. Que estaba precisamente entre los nominados este año. Hay muchos, de todas formas. Confiemos y apostemos por nuestras posibilidades, aunque la ciencia es universal y no tiene fronteras.

Pero para tener un premio Nobel en fisica hace falta tener fisicos de prestigio en nuestro pais, y eso hasta ahora no existe.

Seguramente el virus H1 N1 , pudiendo mutar dos cadenas proteicas de ADENINA ._ GUANINA y el resto de la dotacion genomica se entrelazase cuanticamente con la del VHS , Superponiendose en estados simultaneos dentro de la SINAPSIS neuronal que provoca el experimento en laboratorio real( QUE NO , PARADOJA NI NIÑOS MUERTOS) del misino de Schordinger , y como el dueño de este es mas bien poeta metafisico que cientifico machote como Dios manda y porque , hay propiedades del mundo fisico que no tienen otra explicacion , Porque el mundo es asi de capullo , y las particulas no se entrelazan asi porque si , si antes no se han dado unas vueltecitas por el acelerador de particulas del CERN ,eso si , sin encontrarse algun Hadron en sentido contrario que influya en las patologias de algunos miembros del comite de expertos del I P C C , y concluyan publicamente que el cambio climatico no tiene ningun interes y que de lo que hay que tratar es del origen del universo que esta vez si aparecera pristino en el acelerados de particulas del CERN , Por supuesto la sociedad protectora de animales le presentara una demanda en toda regla como sometan al gato a semejante tropelia

Y de todo esto que se saca en la práctica, lo de las mutaciones de los virus sería genial, pero no se algo más práctico se podría obtener de todos estos conocimientos teóricos. Quizás ordenadores cuánticos, cálculo de probabilidades, tele transportación, yo que sé un sin fin de cosas prácticas y herramientas útiles para la ciencia. Nos haría falta un nobel de física para medir el grado de eficiencia de la ciencia española, sería el espaldarazo definitivo para nuestra puesta en escena en materia científica. El nivel de nuestros físicos es elevado, ya va siendo hora de que tengamos peso especifico en esta especialidad a nivel internacional. Quizás haría falta un segundo post, para ver las supuestas aplicaciones de estos conocimientos teóricos. Saludos a todos

Hola, gracias I.G.-V. En cuanto a las afirmaciones metafísicas de Schrödinger, recuerdo que me impresionaron enormemente, pero creo que son más poesía que otra cosa. Empezando por el concepto mente. Para mi es una idea subjetiva, la sensación de coherencia que en la mayor parte de su funcionamiento nos da el cerebro (no siempre, por ejemplo en las patologías de múltiples personalidades, sin ir más lejos). Es un concepto tan difícilmente objetizable que permite toda clase de elucubraciones sin riesgo de equivocarse. Y en el error está el aprendizaje, según mi opinión.

José-UK, un gustazo, espero verte en próximos posts, porque Pere va a tener que bloguear más sobre este tema, sobre todo ahora que recomienzan los experimentos en el CERN, que ya es hora.

José Manuel: sí, claro, tienes razón. Tal vez fue un mal ejemplo. Lo que quería decir es que hay propiedades del mundo físico que no tienen otra explicación que "porque el mundo es así". Con respecto al entrelazamiento, la sincronización de dos partículas no es misteriosa: lo que es misterioso el hecho de que la propagación de tal sincronización sea instantánea. Lo que implica que las leyes que regulan este fenómeno no son estrictamente locales.

Jose UK e IGV, sois sapientisimos, hablando de terminos de fisica cuantica con tanta soltura. Que sapiencia infinita la vuestra! A vuestros pies, cretinos sabiondos!

Woow IG.-V, esto si que suena muy interesante, no se, asi de entrada, poder predecir todas las mutaciones que pueda experimentar el virus por su entrelazado cuantico, antes que se pueda detectar de una forma definida en nuestra realidad seria una revolucion ..,ya que el gran problema de los virus es que mutan a una velocidad pasmosa y es dificilisimo crear una vacuna especifica, debido a su rapida mutacion ...esto de ser asi, poder introducir la mecanica cuantica en problemas de inmunodificiencia humana seria muy esperanzador...uff, estoy deseando llegar mañana a la universidad para bajarme el articulo. Gracias, como me gusta este blog!!!

Y para rematarla, ya se está ensayando con virus (virus muerto-vivo-muerto) http://www.nature.com/news/2009/090910/full/news.2009.903.html?s=news_rss

José-UK y compañía impresionante la noticia que enlazas sobre el "fotografiado" de decoherencia cuántica en "tendencias 21". ¡Gracias! Por cierto, el experimento del gato ya ha dejado de ser imaginario: se está realizando en laboratorio. ¿No lo creen? Pues ahí van un par de noticias interesantes que agravarán aún más nuestra Schrödingermanía: http://www.tendencias21.net/Realizan-con-seis-fotones-el-experimento-del-gato-de-Schrodinger_a1368.html ¡Agárralo como puedas!

Por tanto en los ordenadores cuanticos: Para evitar esta "decoherencia cuantica", es decir, -que el qubit (superposicion de estados simultaneas de 0 y 1 ) colapse a un bit, estado clasico (0) o (1)- toda operación computacional debe ser completada en un tiempo menor que el tiempo de decoherencia del sistema, pues si alcanzamos el tiempo de decoherencia, el qbit colapsa al bit.

A I.G . V , Probablemente las tesis de F . Capra esten ampliamente superadas , sobre todo en el debate que surgio mayormente en Cambridge ( U S A ) a raiz del origen conceptual del relativsmo y la entronizacion de las tesis cuanticas , En justicia lo consideran un intuitivo de lo que se ha desarollado en el corpus teorico cientifico , como la Tercera Cultura con amplia resonancia en el resto de la comunidad cientifica , Pero lo importante de su aportacion fue marcar la direccion que le daria salida al marasmo conceptual de la fisica clasica ( La imposibilidad de objetivar los fenomenos del microcosmos , desde el sujeto macrocosmico) De ahi el auge que han tomado las nuevas indagaciones sobre las ciencias de la percecpcion en la ingente produccion de textos que esta generando este debate en los ambitos academicos ya citados , con amplio back-graund , de debates divulgativos ,tesinas ,monografias , tesis doctorales , ect ,ect , de otros autores no tan mediaticos pero indispensables para agilizar el debate y conectarlo con otras areas del conocimiento ( Antropologia) ,por ejemplo , Un cibergarbeo por las emblematicas , (NATURE , THE EDGE , LANCET , ect , confirma mis sospechas , que aquellas intuiciones estan dando sus frutos , En España se habrian abortado ,nuestro pasado inquisitorial lo hubiera mandado a la hogera del escepticismo ,naturalmente por IMPOSTOR

Hola de nuevo, José Manuel gracias por la aclaracion, pues el asunto es un poco complejo, jeje. Digamos que "decoherencia cuantica" se denomina al proceso en el que el estado cuantico del gato (vivo-muerto) aislado en la caja, colapsa a uno de los posibles estados clasicos, vivo o muerto cuando abrimos la caja, es decir cuando hacemos interaccionar el gatito, en un principio aislado de nuestra realidad, con el medio (cuando abrimos la caja y vemos la realidad del estado del gato). Ya que estamos metidos en el asunto, he visto por aqui una noticia que unos cientificos pudieron fotografiar el proceso de decoherencia cuantica, es decir el proceso de como el gato pasa del estado cuantico (vivo-muerto) al estado clasico,o vivo o muerto. http://www.tendencias21.net/Registran-en-imagenes-la-decoherencia-cuantica-de-fotones_a2592.html

ffffff!!! muy bueno Pere!! pero la vas a liar, el entrelazamiento cuantico es mi topico favorito en fisica.. y seguro esto da para un par de post mas creo yo :) !! Un saludo!!

Leches, me he vuelto educado y respetuoso con los demás! Glub!

Jose-uk, creo que donde dices "decoherencia cuántica" debes decir "coherencia cuántica". Por lo demás, estoy de acuerdo. ¿Cómo es posible que las partículas cuánticas formen cuerpos más grandes que se comportan de manera clásica? Es un fenómeno que se conoce como decoherencia cuántica. Si no es así que alguien me corrija, por favor. (Perdón si no escribo bien: tengo una herida en un dedo).

Pues muchas gracias por tus comentarios. La verdad es que me han parecido buenísimos y muy claros. Un saludo,

Efectivamente Jorgito, cuando hacemos la medida para saber el estado X del sistema, perturbamos el sistema, y ya no lo vemos como X,lo vemos como Y. De ahi que la dualidad onda-corpusculo de la luz, se comporta como luz o como onda segun el experimento que hagamos, por tanto es como si cuando hacemos un experimento con luz, forzaramos a la luz en su estado cuantico (onda-corpusculo) a exigirle que pase o bien como onda o como particula. Pero en realidad la luz es una onda y una particula al mismo tiempo, entrelazada cuanticamente por la famosa ecuacion de De Broglie en el que demostro que toda particula lleva una onda asociada: lambda (longitud de onda)= h/p(momento de laparticula), donde h es la constante de planck, constante que es el pilar de la mecanica cuantica.

Pero por lo que explicas, parece que no es el hecho de abrir las manos y ver las monedas/partículas lo que las hace adquirir un valor u otro (que sería lo que permitiría hablar de transmisión instantánea de información), sino que sus valores podrían perfectamente estar determinados desde antes (de hecho tanto antes como quisiéramos, porque hasta ahora no los hemos observado y por lo tanto no teníamos ninguna información al respecto) y sencillamente nosotros los observarísmo, pero no los haríamos cambiar instantáneamente en ningún caso. Parece que se estaría confundiendo el cambio en nuestro conocimiento del estado de unas partículas con el estado de esas partículas. Yo estoy con Einstein; me parece un problema de interpretación/conceptualización, no de física propiamente.

Hola de nuevo, a ver yo lo veo asi. yo creo que ya habreis oido hablar del gato de Schrodinger, este que se mete en una caja con material radiactivo, y debido a la naturaleza cuantica de la emision radiactiva el gato puede estar vivo y puede estar muerto cuando abramos la caja, ok? Pues bien, el asunto es que no lo sabemos hasta que abrimos la caja, pues lo veremos, o vivo, o muerto. Que ha pasado aqui? Segun la mecanica cuantica, el gato se encontraba en una superposicion de estados vivo-muerto simultanea, lo que se denomina decoherencia cuantica, es decir, que cuanticamente los dos estados son posibles simultaneamente. Unicamente se rompe esta decoherencia cuantica cuando abrimos la caja, y por tanto vemos o un estado u otro, es decir al gatito o lo vemos vivo o muerto, pero nunca como estaria cuanticamente (vivo-muerto). Este asunto de la decoherencia cuantica, tiene mucho interes en el diseño de ordenadores cuanticos, en el que la informacion se transmite en forma de qbits y no de bits, me explico: Un qubit es el equivalente en el mundo cuántico a un bit en el mundo digital, pero con una diferencia vital: A diferencia de un bit que solo puede almacenar un 0 (gato vivo) o un 1 (gato muerto), un qubit no almacena un 0 o un 1, sino que almacena un 0 y un 1 a la misma vez, por tanto en un qbit almacenariamos la infomacion del estado cuantico del gato (vivo-muerto). Por tanto la informacion entre el 0 y 1 en el qbit estan entrelazada cuanticamente, (sergio 7, eso es lo que quiere decir lo de entrelazado cuanticamente, que el estado 0 y 1 son dependientes el uno del otro, mientras que clasicamente, la informacion del 0 (gato vivo) y la informacion del 1 (gato muerto) son totalmente independientes, por tanto la infomacion clasica no esta entrelazada. Y aqui ya termino con el ordenador cuantico y su problematica: El bit es la minima unidad de informacion utilizada en los ordenadores. si solo posees un bit de informacion, puedes almacenar en la computadora el estado de una bombilla, apagada o encendida, 0 o 1. Con dos bits, tenemos 4 combinaciones posibles: 00, 01, 10, y 11, (apagada apagada, apagada encendida, encendida apagada, o encendida encendida) entonces con dos bits almacenamos los estados posibles de las 2 bombillas, Por tanto con n bits, se pueden representar 2 elevado a n configuraciones posibles. 1 bit, los estados de una bombilla apagada y encendida, y con 2 bits los 4 estados posibles de dos bombillas, con 3 bits los 8 estados posibles de 3 bombillas y asi sucesivamente. Ahora bien, para saber el estado de las tres bombillas tenemos que ir secuencialmete, bombilla 1, bombilla 2, y bombilla3, porque el que yo vea la bombilla 1 encendida, no me da la informacion de como estan las restantes bombillas, despues calcular el estado de la 2, y por ultimo calcular el estado de la 3, porque como ya hemos dicho anteriormet en el bit de infomacion, es un concepto clasico, y la informacion no esta entrelazada. Pero con un qbit, los 8 estados de las bombillas coexisten simultanamente, asi que, si yo calculo el estado de la primera bombilla, instantaneamente sabre como estan las restantes porque las 8 configuraciones estan entrelazadas cuanticamente, y por tanto no tendria que hacer mas operaciones para conocer el estado de las 3 bombillas, con solo 1 me bastaria. El problema es que, esa decoherencia cuantica no es posible mantenerla y colapa al estado clasico, es decir que la dependencia de 0 y 1 como estados que se estan dando simultaneamente en el qbit no se puede mantener por mucho tiempo, y colapsan en el cero o en el 1. Esto es por lo que abriendo mi mano en Nueva York y ver la configuracion de mi moneda, ya se instantaneamente la configuracion de la moneda de mi amigo este donde este. Esto es lo que se denomina teportacion cuantica. Espero haberlo explicado bien.

¡Qué post más genial! Muchas gracias por un post estupendo, quien me iba a decir a mí que la física cuántica me podía hacer reír. Sin meterme en discusiones físicas ni polémicas experimentales, ¿cómo se va a interpretar la naturaleza a partir de esos resultados? ¿cómo debemos interpretar el mundo que nos rodea? Has conseguido que me apasione el tema [:D][;)]

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Sobre el autor

Pere Estupinya

. Soy químico, bioquímico, y un omnívoro de la ciencia, que ya lleva cierto tiempo contándola como excusa para poder aprenderla.
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