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¿Influyó la física cuántica en el fallo de Karius?

Si el exportero del Liverpool argumentara que los flashes de luz lanzados en el momento del disparo de Bale desviaron la trayectoria del balón tendría razón a escala microscópica.

Nadie sabe lo que es la mecánica cuántica, ni tú, ni yo, ni el bueno de Karius. Sólo se sabe que funciona, porque es capaz de predecir el comportamiento de las partículas pequeñas, tales como electrones, átomos o moléculas, que no puede explicar la física clásica.

Situémonos en el año 2050. Karius comparece en TV Cuántica y dice que su monumental error en el 3-1 en la final de la Champions de 2018 en Kiev fue debido a que el balón de Gareth Bale fue desviado por los miles de flashes que destellaron en el momento del disparo, dibujando una trayectoria, la del balón, imposible de predecir.

¿Parece de locos, eh? Veamos que hay de realidad en esto. En el mundo en que vivimos, mundo de objetos grandes (macroscópico), esta excusa no tendría ningún sentido. Sin embargo, en el mundo de los objetos pequeños (microscópico) la cosa cambia. Quédense conmigo, si tienen curiosidad por saberlo.

En nuestro mundo cotidiano, la experiencia nos dicta que si lanzamos un balón y sabemos con qué velocidad y en qué dirección salió, aplicando las leyes de la física clásica, podemos predecir exactamente dónde y cuándo va a caer. Es decir la medida de la posición y velocidad es determinista, ya que pueden conocerse con exactitud en todo momento. Y su trayectoria no se ve afectada por el efecto de la medida. Así, los miles de flashes luminosos que se lanzaron para fotografiar (medir) el disparo de Bale, no alterarían su trayectoria. Por tanto, la excusa del bueno de Karius no es justificable en nuestro mundo clásico. Pero, ¿qué pasaría en un mundo microscópico?

En el mundo microscópico la cosa cambia drásticamente, ya que NO podemos conocer con exactitud la posición y la velocidad de la partícula en un momento determinado, pues no lo permite el principio de incertidumbre de Heisenberg. Fue tan revolucionario este principio que hasta se creó un chiste con su nombre: Heisenberg nunca pudo tener hijos, porque cuando encontraba la posición no encontraba el momento (velocidad), y cuando encontraba el momento no encontraba la posición.

Esta incertidumbre aparece en el mundo microscópico porque la medida SÍ altera el sistema que queremos medir, ya que la luz (fotón) que se necesita para observar la posición de una partícula microscópica (electrón) colisiona con esta de forma que la desvía y ya no la vemos como tal. De ahí que la excusa de Karius, argumentando que los flashes de luz lanzados en el momento del disparo desviaron la trayectoria del balón, ¡sería válida a escala microscópica!

Y es que el mundo microscópico no sigue las leyes clásicas, sino que sigue unas nuevas leyes, las leyes de la mecánica cuántica, que no son deterministas. Por tanto, ya no podemos hablar ni de posición, ni velocidad, ni de trayectoria de la partícula (conceptos deterministas); aquí solo se puede hablar de probabilidad de encontrar la partícula en algún lugar del universo. Hemos pasado de unas leyes clásicas deterministas que gobiernan el mundo macroscópico a unas leyes cuánticas probabilísticas (no deterministas) que gobiernan el mundo microscópico.

¿Fascinante eh?

Espero que me hayan seguido hasta este punto, porque ahora viene lo mejor…

Ya sabemos, entonces, que la naturaleza de un sistema microscópico (electrón, átomo, balón cuántico de Gareth Bale según Karius) sigue las leyes de la mecánica cuántica y que solo podemos saber la probabilidad de encontrarlo en algún punto del universo. Ahora bien, y esto es lo nuevo: los estados de este sistema microscópico se encuentran entrelazados y este entrelazamiento que únicamente se observa experimentalmente en el mundo cuántico, ¡permite que se pueda transmitir información entre los estados del sistema de forma instantánea!

Pondré un ejemplo. Lo llamaremos Entrelazamiento en las botas de Asensio. Lucas y Somos, dos grandes amigos y escritores de A LA CONTRA, deciden, uno quedarse en Madrid y otro viajar a Boston. Supongamos que Asensio les regala una caja con sus botas (sistema). A cada uno le corresponde una bota guardada en una caja distinta y no sabrán cuál es (la derecha o la izquierda) hasta que no abran su caja (midan el sistema). Cuando Lucas llega a Boston, Somos lo llama por teléfono: «Lucas, he abierto la caja, y mi bota es la derecha, y sin que tú me lo digas, sé que tú tienes la bota izquierda. Así sería aunque te hubieras ido a la luna». Lucas, entre risas, le dirá ¡pero qué listo eres!

Pues bien, esto que parece un experimento de lo más absurdo, no lo es en su interpretación. Al final, existe un entrelazamiento cuántico entre las dos botas (dos estados) de la caja de Asensio (sistema), de forma que cuando se abre la caja y se ve cómo es el estado de una, sabemos instantáneamente cómo es el estado de la otra, independientemente de la distancia.

Debido a esta nueva interpretación del mundo microscópico, la mecánica cuántica originó un gran debate en los físicos de la época, ya que no sabían cómo funcionaba, pero funcionaba.

Por un lado teníamos a los físicos liderados por Einstein (los de la física determinista, que creían en la mecánica cuántica pero les parecía incompleta para explicar el mundo), al que se le atribuye la frase: «Dios no juega a los dados». Einstein sostenía que las propiedades del sistema son las que son, y que no cambian al realizar la medida, y la bota derecha siempre será la bota derecha y la bota izquierda siempre será la bota izquierda, independientemente de la medida (abrir la caja de Asensio). Esto no es más que estar de acuerdo con el principio de localidad, que establece que dos objetos suficientemente alejados uno de otro no pueden influirse mutuamente de manera instantánea; cada objeto puede ser influido solo por el otro si están cerca (localidad), y durante un intervalo corto de tiempo, no de forma instantánea.

Einstein y sus colegas Podolski y Rosen se negaban a aceptar la correlación misteriosa entre partículas. Pensaban que debían existir variables ocultas (todavía no observadas) que distinguirían estos sistemas aparentemente idénticos (paradoja EPR).

Pero los que sostenían que la mecaniza cuántica era una teoría no local y completa, liderados por Bohr («Einstein debe dejar de decir a Dios cómo tiene que jugar»), sostenían que la naturaleza es indeterminada. La caja con las botas de Asensio (sistema) antes de la medida (antes de abrir la caja) se encuentra en una superposición de los posibles estados del sistema (bota izquierda-bota derecha), y únicamente se rompe este entrelazamiento cuántico abriendo la caja (efectuando la medida).

Como dijimos antes, sobre el mundo microscópico la acción de medir Sí altera el sistema, por tanto, al abrir la caja, digamos que estamos alterando el sistema, y rompemos este entrelazamiento cuántico. Este fenómeno, también se conoce como rotura de la coherencia cuántica, o también, colapso de la función cuántica que describe el sistema como un todo (superposición de todos los posibles estados) antes de la medida.

Este colapso de la función cuántica que describe el sistema no se entendía, y el problema quedó abierto hasta que J. S. Bell publicó sus famosas desigualdades de Bell que permitían realizar un experimento potencial que debía dar o quitar la razón a la paradoja EPR de Einstein y los suyos. El experimento crucial basado en el trabajo de Bell fue llevado a cabo en 1981 por Alain Aspect, que mostró sin lugar a dudas la existencia de efectos que violaban el principio de localidad en toda su extensión.

Por tanto, mientras Einstein y los suyos sostenían que la bota derecha y la bota izquierda son dos realidades diferentes, experimentalmente se demuestra que esto no es así para las partículas microscópicas, y tenemos que hablar de una sola realidad, bota izquierda entrelazada a la bota derecha, un estado de entrelazamiento (coherencia cuántica), por otra parte, muy difícil de mantener (*).

¿Increíble eh?

El experimento de Aspect cerró para siempre la vieja paradoja a favor de la mecánica cuántica. Así que, por el momento, Somos se llevó el gato al agua. Y menciono intencionadamente este animal, en honor al gato que usa Schrodinger (**) en su experimento mental, animal que se encontraría en una superposición de estados vivo-muerto antes de la medida, y que no colapsaría a un estado clásico (vivo o muerto) hasta que abriéramos la caja donde se encuentra encerrado.

¡Ojo!, hay que aclarar, algo muy importante en este experimento: Somos tiene que llamar a Lucas por un canal clásico (teléfono) para decirle el resultado de la medida (abrir la caja). Lo tiene que hacer por teléfono para que sigamos manteniendo el límite de la velocidad de la luz para el envío de información, de forma que no se viola el principio de la Relatividad Especial de Einstein a la hora de realizar este tipo de experimentos de entrelazado cuántico.

Y a este punto os preguntaréis: ¿Para qué sirve todo esto de la mecánica cuántica? ¿Y por qué es tan importante este entrelazamiento cuántico? Sigan conmigo, y lo explicaré, ya estamos llegando al final.

Pues bien, esta propiedad de entrelazamiento cuántico existente entre los estados del sistema antes de la medida es con la que se están desarrollando los ordenadores cuánticos. Si los ordenadores clásicos utilizan una unidad de computación llamada bit, que puede ser 0 (bota derecha) o 1 (bota izquierda) —dos estados totalmente independientes sin ninguna relación—, en el ordenador cuántico la unidad computacional es el qbit, una superposición de 0 y 1 (bota derecha-bota izquierda). Es decir, hay un entrelazamiento entre los dos estados.
El estado entrelazado es muchísimo más poderoso y resulta de una mezcla indiferenciable de ambos estados: 0 y 1. Para entender esto mejor podríamos decir que si el bit representa los dos polos opuestos de una esfera, 0 y 1, el qbit representa todos los puntos de la superficie de la esfera.

El entrelazamiento cuántico es la base de tecnologías en fase de desarrollo, tales como la computación cuántica, o la criptografía cuántica, y se ha utilizado en experimentos de teletransportación cuántica.

Para terminar, tengo que anunciar que la llegada de los ordenadores cuánticos va a crear un gran problema en criptografía, ya que nuestras contraseñas empezarán a no estar a salvo nunca más, pues con la llegada de estos ordenadores cuánticos se descifrarán en un abrir y cerrar de ojos.

Es por lo que se está empezando a necesitar una nueva criptografía que nos proteja de toda esta catástrofe que se originaria con la llegada de los ordenadores cuánticos y que ya se conoce como criptografía post-cuántica. El NIST (National Institute of Standards and Technology) ya se puso manos a la obra, y ahora apoyado por proyectos de la Unión Europea y Japón, lanzó una convocatoria al mundo solicitando algoritmos criptográficos “quantum-resistant” (resistentes cuánticamente) para evaluarlos y establecerlos en todos lados. En abril de este año 2019 se obtuvieron los primeros finalistas y se pasó a la etapa de analizar su viabilidad y, si es el caso, su factibilidad de implementación.

* Aquí se muestra un video (https://www.youtube.com/watch?v=tAIC-FkE2rs) que explica la coherencia cuántica de los dos posibles estados (no excitado y excitado) de un átomo aislado (sistema) antes de la medida. Vemos que al medir el sistema (ojo), obtendremos un estado (no excitado) u otro (excitado) debido al colapso de la función de onda que describe el sistema como un todo (superposición de estados). A la pérdida de la coherencia cuántica se la conoce como decoherencia cuántica, y el tiempo de decoherencia es un parámetro fundamental en el avance de los ordenadores cuánticos, ya que es el tiempo de supervivencia de la coherencia cuántica antes de que colapse (interaccione) con el mundo clásico.

** Algunos libros de divulgación sobre mecánica cuántica:
¿Qué sabemos de? Mecánica cuántica.
How to Teach Quantum Physics to your dog

Jose Luis Vega es neurocientífico y trabaja en Ensayos Clínicos.

3 Comments

3 Comments

  1. Carlos Alberto Cubias Lara

    13/06/2019 at 02:12

    Simple de entender,aunque siempre hay incógnitas.
    Buen trabajó de enseñanza cuántica para los neofitos.
    Saludos

    • Diego

      13/06/2019 at 19:47

      Más allá de todo eso de la tecnología. Para que más sirve para humanidad saber sobre mecánica y física cuántica. De todas formas el ser humano no crece a nivel humano ética moral honestidad trabajo emocional espiritual… Todo esto avanza menos lo humano!!

  2. Hernán

    13/06/2019 at 16:58

    Excelente

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