Francis en #rosavientos: Teletransporte cuántico de energía

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Ya puedes escuchar el audio de mi sección ¡Eureka! en La Rosa de los Vientos de Onda Cero. Hablo de teletransporte cuántico de energía. Como siempre una transcripción del audio, algunos enlaces y algunas figuras.

Resumen: Investigadores japoneses publican en la revista Physical Review A un artículo teórico que afirma que cierto tipo de teletransporte cuántico permite teletransportar el estado energético de un sistema, lo que en cierto sentido es equivalente a teletransportar energía. Por ahora se trata de una propuesta teórica que tendrá que ser verificada mediante experimentos, pero podría ser útil en los futuros ordenadores cuánticos y en la futura internet cuántica.

El artículo técnico es Masahiro Hotta, Jiro Matsumoto, Go Yusa, “Quantum Energy Teleportation without Limit of Distance,” Phys. Rev. A 89: 012311, 2014, arXiv:1305.3955 [quant-ph]. Masahiro Hotta, “Quantum Energy Teleportation: An Introductory Review,” PDF, Tohoku University. Información divulgativa en inglés en Bob Yirka, “New theory suggests way to teleport energy long distances,” Phys.Org, 28 Jan 2014; Katia Moskvitch, “Squeeze light to teleport quantum energy,” New Scientist, 23 Jan 2014; Tim Wogan, “Energy can be teleported over long distances, say physicists,” Physics World, 27 Jan 2014.

En español también puedes leer a José Manuel Nieves, “También la energía puede teletransportarse,” ABC Ciencia, 05 Feb 2014.

Dibujo20140209 star trek - teleporting - scotty kirk spock

El teletransporte es famoso por la serie de televisión Star Trek. El capitán Kirk o el comandante Spock decían “Teletranspórteme Scotty” y el ingeniero Scotty lograba trasladarlos desde la nave Enterprise hasta la superficie de un planeta. Según la física actual, ¿es posible el teletransporte de una persona? Creo que mucha gente no sabe que el teletransporte en la serie Star Trek se ideó para ahorrar costes de producción. Los efectos especiales para mostrar el aterrizaje de la nave Enterprise en un planeta eran muy caros y los guiones eran claustrofóbicos si los personajes de la serie no podían salir nunca de la nave. Por ello, el creador de la serie, Gene Roddenberry, tomó la idea del teletransporte de la película La Mosca, de 1958, y de la literatura de ciencia ficción de finales del siglo XIX. En la serie Star Trek, una máquina desintegra una persona en sus átomos, los envía en forma de un haz de átomos a la superficie de un planeta, a miles de kilómetros de distancia, donde la persona se recompone de forma automática. El físico Lawrence Krauss calcula en su libro “La física de Star Trek” que, como una persona tiene unos diez mil billones de billones de átomos y el estado de cada átomo requiere alrededor de un kilobyte de información, serían necesarios unos diez billones de billones de megabytes de información para teletransportar a una persona. Demasiada información para transmitirla en unos pocos segundos. Más aún, los errores en la transmisión podrían ser letales. Por ello, según las leyes de la física es imposible el teletransporte de una persona.

Más información sobre el teletransporte en Star Trek en Luis M. Ariza, “Teletranspórteme Scotty (o cómo vencer a cualquier crisis económica),” El País, 30 May 2013. 30 de mayo de 2013, y en Fernando del Álamo, “[Libro] La física de Star Trek,” Historias de la Ciencia, 29 Jul 2013.

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Sin embargo, los físicos han logrado el teletransporte cuántico del estado de átomos y de fotones en distancias de hasta 143 kilómetros. ¿No sería posible usar el teletransporte cuántico para teletransportar un objeto? Hay que aclarar que en el teletransporte cuántico se transmite la información del estado cuántico de un objeto cuántico a otro objeto cuántico, que incluso puede ser un objeto de diferente tipo. El único requisito es que el estado cuántico de ambos objetos esté entrelazado. El entrelazamiento cuántico es una propiedad cuántica difícil de explicar en pocas palabras que permite que dos objetos entrelazados tengan sus estados cuánticos relacionados entre sí, sin importar la distancia que los separe. Hoy en día podemos entrelazar el estado cuántico de un fotón con el de un átomo, lo que permite teletransportar el estado de un bit cuántico almacenado en el fotón hasta el átomo y viceversa. Lo importante es que sólo se puede teletransportar la información del estado cuántico, nunca se puede teletransportar el objeto mismo. Hay un ley física que prohíbe fabricar una copia de un objeto cuántico (el llamado teorema de no clonación). Lo único que permiten las leyes de la física es copiar el estado cuántico de un objeto. Esto es lo que hace el protocolo cuántico llamado teletransporte cuántico, que quizás debería llamarse “transmisión del estado cuántico” para evitar equívocos. El físico Michio Kaku propone en su libro “La física de lo imposible” que quizás dentro de unos siglos se pueda transmitir la información del estado cuántico de los átomos de una persona a un clon de dicha persona que se encuentre en otro lugar. La física no lo prohíbe, pero parece mucho más fácil que algún día se llega a transmitir el estado mental de una persona a la mente de un clon. El teletransporte cuántico de personas es más bien una utopía.

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El teletransporte de objetos materiales parece imposible, pero hay otras aplicaciones del teletransporte que parecen interesantes. Por ejemplo, se podría teletransportar la energía sin necesidad de cables. ¿Se puede teletransportar la energía? El protocolo estándar de teletransporte cuántico no permite el teletransporte de energía. Sin embargo, físicos teóricos japoneses han propuesto la posibilidad del teletransporte cuántico de energía. Un grupo liderado por el físico Masahiro Hotta , de la Universidad de Tohoku, Japón, llevan trabajando en ello desde el año 2008 y han publicado esta semana en la revista Physical Review A el esquema de un experimento de teletransporte de la energía que parece factible. Todavía el experimento no ha sido llevado a cabo, con el teletransporte de energía aún no ha sido demostrado, pero el esquema del experimento parece al alcance de la tecnología actual, luego no podemos descartar que en los próximos años se lleve a cabo. Lo que no sabemos ahora mismo es si tendrá éxito o habrá algún efecto sutil que impida la ejecución completa de este protocolo cuántico.

Dibujo20140209 Expansion of quantum fluctuation field stretched

¿En qué consiste exactamente el teletransporte cuántico de energía? En física cuántica, el vacío no es lo mismo que la nada, el vacío no está vacío sino que está lleno de campos cuánticos. Si extraemos todo el contenido de un recipiente con una imaginaria bomba de vacío capaz de extraer todas las moléculas, todos los átomos y todas las partículas del interior del recipiente, aún no estará vacío. Hoy en día entendemos las partículas como vibraciones de los campos cuánticos respecto al estado de vacío, el estado de mínima energía. Podemos extraer las partículas del recipiente, pero es imposible extraer el vacío. Lo sorprendente es que el vacío se comporta como una substancia y tiene un cierto contenido energético, la llamada energía de punto cero. Además, el vacío en dos recipientes diferentes se puede entrelazar como si fueran partículas; con lo que podemos tener un entrelazamiento cuántico entre los vacíos de dos recipientes que estén separados por una gran distancia. Este entrelazamiento cuántico entre ambos vacíos permite ejecutar un protocolo cuántico de teletransporte de energía. Se mide la energía de punto cero del vacío de uno de los recipientes, se transmite por un canal clásico (vía teléfono o vía fibra óptica) el resultado de la medida y al realizar una medida de la energía del punto cero en el otro recipiente se obtiene el mismo resultado. Todo como si se hubiera transmitido la energía de punto cero de un vacío al otro. Los detalles técnicos son difíciles de explicar, pero el protocolo de teletransporte de energía parece física y tecnológicamente factible.

Dibujo20140209 quantum hall edge experiment

¿Sabes si hay intentos de realizar este experimento en algún laboratorio? El experimento no parece fácil de realizar, pero ya hay un grupo de físicos experimentales que está colaborando con Hotta para implementar el experimento utilizando el llamado efecto Hall cuántico. Este efecto se observa en capas ultradelgadas de ciertos materiales semiconductores cuando son sometidos a un intenso campo magnético. Los electrones se mueven como si se hubiera formado un canal de vacío en el borde del material semiconductor. Los canales de vacío de los bordes de un semiconductor se pueden entrelazar entre sí y parece factible utilizar este efecto para ejecutar el teletransporte cuántico de energía. Sin embargo, se trata de un experimento muy delicado y no parece que vaya a ser realizado en un plazo corto de tiempo. Habrá que estar al tanto de los progresos en este campo tan interesante, ya que teletransportar energía podría tener aplicaciones múltiples aplicaciones en los futuros ordenadores cuánticos.

8 Comentarios

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renecoreneco

Creo que no entendí, si existe teletransporte de energía implica que se puede teletransportar información y si esto ocurre se invalida la relatividad porque la información no puede viajar mas allá de la velocidad de la luz en el vacío

Enrique MartínEnrique Martín

El teletransporte de materia solo es una propuesta teórica ahora mismo, mientras que el teletransporte de información cuántica ha sido demostrado experimentalmente. No viola la relatividad porque en un paso del protocolo de teletransporte de la información cuántica hay que transmitir dos bits de información clásica de una parte a la otra (por ejemplo por teléfono) para que el receptor sepa la medida que tiene que hacer en su sistema. Tras esta medida sobre el cubit del receptor este termina en el estado que se quería teletransportar.

renecoreneco

Lo que me refiero es que aquí se habla de energía y eso es una propiedad física relacionada con la materia

lenileni

Que yo recuerde de clase, todo protocolo de teletransporte cuantico (que hoy en dia ya transmiten informacion) necesita de un canal clasico para “verificar” el hecho. Por lo que no rompen la causalidad.

Francisco R. Villatoro

Reneco, se trata de teletransporte de energía de punto cero. No se pude codificar información en la energía de punto de cero (la energía del vacío cuántico). Por tanto, no se viola la relatividad.

renecoreneco

Gracias por aclarar el punto, pero como uno tiene el concepto general de energía e información, no calzaba.
Me ciento aliviado por que no me han movido el piso del mundo físico que conozco, la energía de punto cero es la energía mas baja que un sistema puede tener y como la energía es relativa se puede asumir que en ella no hay energía (por lo menos desde el punto de vista clásico)

Meer CapeansMeer Capeans

La energía de punto cero no podrá ser transportada ni teletransportada, por falta de un gradiente. Es decir, un lugar de menor energía al cual arrojar la que se extrae. Se eso fuese posible, sería factible construir una nave con un motor que aprovechase la energía de punto cero del espacio. Pero no lo es. Todo sistema energético precisa de un gradiente.

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El teletransporte en ningún caso contradice la teoría de la Relatividad, puesto que esta se refiere a que ningún objeto material puede viajar a la velocidad de la luz o superarla. Pero el teletransporte ocurre sin que algo viaje entre dos puntos. Si algo viaja físicamente, en ese caso ya no es teletransporte y estará sometido a las leyes de la Relatividad.

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