Teléfono de entrelazamiento cuántico
1. Introducción.
El teléfono de entrelazamiento cuántico es un sistema de comunicación instantánea entre dos puntos para distancias galácticas. Se basa en un método prefigurado en 1935 por Einstein, Podolsky y Rosen, y ensayado con éxito en el experimento Innsbruck. El modelo descrito a continuación tiene una duración de 49.600 años (unos 1,6 x 1012 segundos), por lo que es apto para un viaje de ida y vuelta al centro de la galaxia situado a 24.800 años-luz, viaje descrito en otro artículo.
2. Descripción del teléfono.
Para la comunicación en un sentido, hay un punto emisor y un punto receptor. Para la comunicación en el otro sentido, similarmente hay otro punto emisor y otro punto receptor. Describimos a continuación uno cualquiera de ellos, ya que son iguales. Véase la figura 1.
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Figura 1. Esquema del teléfono. A la izquierda, hay el emisor. A la derecha, hay el receptor. En total, hay 2 ordenadores, 1 separador, 2 memorias, 2 analizadores y 4 detectores.
3. Comunicación simple.
Es el caso en que el Separador es equidistante a las 2 Memorias, o sea el caso en que el Emisor y el Receptor están a corta distancia. Es un caso trivial porque es poco útil; el teléfono sólo es útil cuando hay mucha distancia entre Emisor y Receptor, caso en que la comunicación es compleja y que se expondrá después.
El Ordenador de Emisor emite 2 fotones entrelazados: uno con polarización de 0 (horizontal) y el otro con la polarización complementaria de 90 grados (vertical). Desde el punto de vista informático, son 2 qubits. El Separador dirige uno de ellos (no se sabe cual) a la Memoria del Emisor y el otro a la Memoria del Receptor. Simultáneamente a dicha emisión, el Ordenador del Emisor dirige un fotón con el mensaje que se desea enviar, consistente por ejemplo en un bit de valor 0 y polarización de 45 grados (obtenido con un cristal polarizador).
Al Analizador del Emisor le llegan pues 2 fotones que reenvía a 2 Detectores. Si los 2 fotones llegan a un solo Detector, seda cual sea, el mensaje no llega al Receptor y se pierde; hay que ensayar de nuevo una transmisión. Si un fotón (sea cual sea) llega a un Detector y el otro fotón llega al otro Detector (lo cual ocurre en el 25 % de los mensajes que se pretenden enviar), ambos fotones quedan entrelazados y con polarizaciones complementarias. Esta entrelazación hace que también queden entrelazados el fotón mensajero y el fotón que llega al Receptor y este último adopta la polarización del fotón mensajero de 45 grados, lo cual es detectado por uno de los 2 Detectores y enviado al Ordenador del Receptor. Con esto se completa la comunicación del mensaje.
Si, en caso contrario, el fotón con el mensaje consiste en un bit de valor 1, lleva polarización de 135 grados y si llega al Receptor, será detectado por el otro Detector.
4. Comunicación compleja.
Es el caso en que el Emisor y el Receptor están separados, como sería si el primero está en le Tierra y el segundo está a 24.800 años-luz, en el centro de la galaxia. Entonces es cuando el teléfono es útil. Para que los fotones lleguen al Receptor y no se desvíen por los obstáculos, es preferible que tengan una longitud de onda larga. Para que el mensaje llegue, es preferible enviarlo con redundancia y bits de control.
El Ordenador del Emisor crea fotones entrelazados una vez cada segundo. Cada fotón que llega a la Memoria del Receptor se guarda un segundo y es reemplazado por el fotón siguiente. En cambio, los fotones que llegan a a la Memoria del Emisor se guardan ordenadamente. Ya en el año 2015 se consiguió fotones a casi velocidad cero (era a 0,056 m/s empleando una nube de 1.800.000 átomos de sodio a 0,0000005 K). Cuando se desea enviar un mensaje, se genera un fotón mensajero; al llegar al analizador se entrelaza con el fotón más antiguo de los que llegaron a la memoria y a partir de aquí, el proceso es igual que en la comunicación simple.
Para que la comunicación pueda realizarse en cualquier instante, es necesario que la creación de fotones entrelazados ya se inicie cuando el Emisor y el Receptor están juntos. Ya que el Receptor se aleja a una velocidad menor que la luz, en cada momento tendrá un fotón en la memoria.
Notemos que el trayecto del Receptor está jalonado con una ristra de fotones; uno cada 300.000.000 m. Si el Receptor está a una distancia de 24.800 años-luz del Emisor, el fotón que le acaba de llegar salió del Emisor hace 24.800 años y el fotón más antiguo de la memoria del Emisor lleva 24.800 años almacenado. Para un viaje de ida i vuelta desde la Tierra al centro de la galaxia distante 24.8000 años-luz es necesario poder guardar 1,6 x 1012 fotones en la memoria del Emisor. Si le llegasen más fotones, la memoria quedaría saturada, sería necesario suprimirle fotones y habría un intervalo de tiempo en que no se podrían enviar mensajes.
Para mostrar la limitación del teléfono, constatemos que si un conjunto Emisor-Receptor inicia su funcionamiento con ambos muy separados, la comunicación no puede establecerse hasta que un fotón del par entrelazado llega al Receptor; si éste está a 1 año-luz de distancia, la comunicación sólo podrá intentarse al cabo de 1 año.
4. Utilidad práctica.
Los vehículos y aparatos que actualmente se emplean para la exploración del sistema solar dan información a la Tierra y reciben órdenes con una demora que no permite un control adecuado. Por ejemplo, en un descenso a un astro, desde la Tierra no se puede escoger el lugar exacto para el aterrizaje; una protuberancia del suelo puede invalidar por completo una misión, volcando el vehículo. No existe un sistema automático para evitarlo, haría falta un control visual desde la Tierra. Esto sólo puede conseguirse con un sistema de comunicación como el teléfono de entrelazamiento cuántico que pudiese emitir unos miles de bits por segundo.