Cómo enviar un mensaje sin intercambiar partículas

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  • 22/05/2017

Información cuántica

Un equipo logra llevar a cabo el primer experimento de «comunicación cuántica contrafáctica», un protocolo propuesto en 2012 para transmitir bits sin enviar partículas físicas.

Proceedings of the National Academy of Sciences

Esquema del dispositivo experimental empleado para enviar información sin intercambio de partículas físicas. Debido a la dualidad onda-partícula, un emisor (Bob, derecha) puede enviar un mensaje de unos y ceros a un receptor (Alice, izquierda) sin que prácticamente ningún fotón circule por el canal de transmisión que media entre ellos (centro). [«Direct counterfactual communication with single photons», Yuan Cao et al., arXiv:1403.5082]

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Según nuestra intuición clásica, el envío de información entre un emisor y un receptor requiere siempre el intercambio directo de partículas físicas. Sin embargo, eso no parece ser cierto en el mundo cuántico. En un trabajo que acaba de ser publicado en Poceedings of the Royal Academy of Sciences, Yuan Cao, de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, y otros investigadores afirman haber logrado la primera implementación experimental de un protocolo conocido como «comunicación cuántica contrafáctica», la cual no requiere el intercambio de partículas entre el emisor y el receptor. El resultado hace explícito uno de los aspectos menos intuitivos de la mecánica cuántica y augura nuevas aplicaciones tecnológicas.

El principio básico que se encuentra tras el experimento de Cao y sus colaboradores son las llamadas «medidas sin interacción»; en concreto, cierto esquema propuesto en 1993 por Avshalom Elitzur y Lev Veidman, de la Universidad de Tel-Aviv, e implementado experimentalmente poco después por el grupo de Anton Zeilinger en la Universidad de Innsbruck. Dicho montaje permitía deducir la presencia de un objeto en uno de los brazos de un interferómetro sin que, en el proceso, ningún fotón hubiese interaccionado con él.

La idea se basa en la dualidad onda-partícula. Supongamos que un fotón se hace pasar por un espejo semitransparente y que, con ayuda de los espejos necesarios, los dos caminos posibles (el del fotón reflejado y el transmitido) se recombinan después en un punto. En él, un conjunto de detectores medirán la señal de llegada. Si ambos caminos se dejan libres, las leyes cuánticas predicen que el fotón se comportará como una onda: tomará ambos caminos a la vez y, a su llegada, los detectores registrarán un patrón de interferencia.

No obstante, si uno de los dos caminos se bloquea con un objeto, el montaje obligará al fotón a comportarse como una partícula: en ocasiones tomará uno de los caminos y ocasiones el otro, pero nunca ambos a la vez. Si procede por el camino bloqueado, será absorbido por el objeto, por lo que los detectores no registrarán ninguna señal. Si, por el contrario, discurre por el camino libre, entonces sí llegará a los detectores, aunque dejará una señal distinta del patrón de interferencia anterior. En este último caso, un observador situado a la llegada podrá deducir que en uno de los caminos había un objeto interpuesto. Sin embargo, habrá llegado a esa conclusión sin que ningún fotón haya interaccionado con dicho objeto (o, en términos más metafóricos, habrá «visto» el objeto sin que este haya sido iluminado).

La repetición de este experimento puede aprovecharse para enviar un mensaje de unos y ceros. Para ello, un agente («Benito») se sitúa en uno de los dos caminos que puede tomar el fotón, mientras que otro («Alicia») espera junto a los detectores. En cada ejecución del experimento, Benito decide si bloquea el camino («envía un 1») o no («envía un 0»). En aquellos casos en los que bloquee el camino y Alicia detecte una señal, Benito le habrá comunicado un 1 a su compañera sin que entre ellos haya mediado intercambio alguno de partículas.

En 2012, Hatim Salih, del Centro Nacional de Matemáticas y Física de Arabia Saudí, y otros investigadores propusieron un ingenioso método para concatenar numerosas veces el esquema anterior. Como consecuencia, el montaje permitía que todos los bits emitidos por Benito (tanto el 0 como el 1) llegasen a Alicia sin transmisión de partículas físicas. Ese es el montaje cuya realización experimental Cao y sus colaboradores han publicado ahora en PNAS. Una versión de los resultados ya había sido publicada en 2014 en el repositorio arXiv.

Cabe señalar que el protocolo mencionado solo es completamente «contrafáctico» en cierto límite ideal. En un caso real, siempre habrá un pequeño número de fotones que se filtrarán por el canal que separa a Benito y Alicia; sin embargo, la probabilidad de que eso ocurra es muy reducida y, en principio, puede hacerse tan pequeña como se desee. Por otro lado, la técnica no guarda ninguna relación con el protocolo conocido como «teletransporte cuántico», el cual sí requiere la transmisión física de información por medio de un canal clásico entre el emisor y el receptor.

En su trabajo, los autores enviaron una imagen de 100×100 píxeles negros («0») y blancos («1»), la cual fue reproducida a su llegada con una calidad más que notable. De todos los bits enviados, solo un 1,4 por ciento se filtró por el canal entre Benito y Alicia: una cantidad que, según los autores, resulta completamente insuficiente para codificar toda la información recibida.

Más información en Proceedings of the National Academy of Sciences. Una versión del artículo técnico se encuentra disponible en el repositorio arXiv.

—IyC

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