2.d.2. Superposición y entrelazamiento cuántico

En la literatura científica existen numerosas explicaciones sobre los fenómenos denominados de superposición y de entrelazamiento cuántico. Aquí no se trata de repetir con otras palabras lo expresado en Wikipedia *, por el contrario, la idea es exponer una opinión razonada de en qué consiste la superposición y por qué se habla de comunicación instantánea entre partículas entrelazadas cuando lo único entrelazado es la correlación de la ignorancia de sus estados individuales.

En general seguir las explicaciones académicas no resulta fácil porque se saltan los conceptos básicos y se mezclan conceptos técnicos complejos con una terminología fantasiosa –teleportación cuántica, decoherencia, interpretación de Múltiples Mundos, etc. La referencia a Einstein y la paradoja EPR ayuda a aceptar ciegamente conceptos gatunos que no se comprenden.

Finalmente, por si alguien insiste en intentar entender los citados conceptos básicos, éstos se acaban presentando como contrarios a la intuición y formalizándolos con fórmulas matemáticas solo para profesionales de física teórica y de la filosofía griega y oriental.

El hecho de que las interpretaciones más sensacionalistas sobre el entrelazamiento cuántico sean imposibles no significa que el desarrollo científico y tecnológico no necesite investigación sobre las características reales de las partículas físicas. Tampoco tiene que sorprender que determinadas investigaciones no se expliquen públicamente con precisión teniendo en cuenta la geopolítica del mundo pasado, actual y seguramente futuro.

Las confusiones en este tema se derivan de la característica principal de la Mecánica Cuántica, el principio de incertidumbre de Heisenberg, que le obliga trabajar con funciones de probabilidad –funciones de onda– tanto por la imposibilidad de predecir el valor real de las propiedades cuánticas como por el problema de la medida. La medición informa de un estado pasado porque afecta a la evolución del mismo, destruyendo  su coherencia temporal.

Para explicar el entrelazamiento cuántico nos vamos a limitar al caso del Spin de los electrones y utilizar un ejemplo clásico con equiparación de los conceptos de Spin, superposición, entrelazamiento y comunicación instantánea con su homólogo cuántico.

  • Spin.

    Lo relevante es saber que el Spin –espín– es una propiedad cuántica que puede tomar dos valores para el electrón, pero que no se puede conocer su valor sin alterar la realidad física, es decir, su medición para un momento concreto no informa de su estado posterior puesto que la propia medición puede cambiar su valor. En otras palabras, cuando se crea o elige un electrón nuevo no se sabe que Spin tiene.

    En la página sobre la estructura del átomo global hemos dedicado un breve apartado al Principio de Pauli y otro al Spin y el momento angular orbital de los electrones. Con independencia de conocer o no su valor, conviene tener en cuenta que un electrón de un átomo puede estar cambiando su valor pero un electrón libre parece que no cambia su Spin, aunque se siga sin saber con seguridad. Esto se debe a que solo se puede medir una vez, y eso suponiendo que no haya cambiado por algún factor externo –decoherencia cuántica en caso de entrelazamiento.

    Nuestro ejemplo consiste en una moneda girando sobre la mesa tan rápido que si sacamos una fotografía súper rápida no sabemos cuál va a ser el resultado, cara o cruz de la moneda.

    A priori, tenemos una función de probabilidad del 50% de que sea cara.

    Por eso se dice la famosa frase del gato vivo y muerto a la vez, por la función de probabilidad de la onda. Curiosamente, lo que es contra-intuitivo es el ejemplo utilizado de vivo y muerto, porque cara y cruz o un Spin u otro es perfectamente intuitivo.

  • Superposición.

    Otro aspecto no menos curioso es la forma de interpretar las fórmulas estadísticas de probabilidad; como no se sabe si es cara o cruz antes de sacar la foto se dice que es las dos cosas a la vez, que está en dos sitios a la vez o que está en estado de superposición.

    En otras palabras, como la vista no llega a ver la cara o la cruz mientras la moneda gira, dicen que está en superposición –como el efecto óptico de la imagen–, a pesar de que si sacasen la foto comprobarían que es una suposición errónea. Además, nunca han encontrado un gato moribundo.

    Superposición
    Errónea suposición
    Seis imágenes de una moneda girando sin que se pueda ver ni la cara ni la cruz

    En definitiva, la realidad física no es anti-intuitiva pero sí la errónea suposición. Ciertamente se trata de un error grave, porque a priori no hay ninguna razón científica que lo justifique. No es excusa el decir que se trata de una superposición de probabilidades; porque el concepto de probabilidad lo lleva implícito, pero precisamente para indicar que una posibilidad excluye a la otra y la suma de todas las probabilidades es siempre igual a uno. Además no dicen eso, las probabilidades no son dos cosas al mismo tiempo ni están en dos sitios a la vez; porque son conceptos abstractos, salvo que estemos hablando de otros mundos.

    Un problema adicional de la Mecánica Cuántica con la ignorancia sobre el estado real y sus causas es que si metemos la foto sacada en un sobre sin mirarla y la enviamos por correo ordinario al país B siguen diciendo que está en superposición, a pesar de que en el sobre solo hay una foto y no se puede decir que haya gato encerrado ni moneda girando. El correspondiente ejemplo cuántico del sobre sería un electrón libre, puesto que, como hemos visto, el Spin de estos electrones no cambia su valor salvo los posibles casos de decoherencia cuántica.

  • Entrelazamiento.

    Ahora imaginemos que la cámara fotográfica saca dos fotos y que está sincronizada con la velocidad de giro, de forma que si la primera foto es cara la segunda es cruz. Si metemos las fotos sin mirarlas en dos sobres, y uno lo enviamos al país B y el otro al país C, las fotos estarían entrelazadas puesto que sabemos que si una es cara la otra será cruz y viceversa.

    La Mecánica Cuántica conoce que en ocasiones dos electrones tienen valores de Spin opuestos; en este caso se tiene más información sobre un electrón por el hecho de formar parte de un sistema de dos partículas. Se trata del juego de probabilidades condicionadas; si se supiera que uno tiene un Spin ½ entonces se sabría que el otro lo tiene -½. En este caso se dice que las partículas están entrelazadas.

    Lógicamente, y sin tener en cuenta la posibilidad de decoherencia cuántica, mientras no se abra ningún sobre no se tiene información adicional, pero en el momento de abrir un sobre se sabrá el contenido de los dos sobres. Exactamente lo mismo se puede decir de los valores de Spin de los dos electrones.

    Desde el punto de vista de la función de probabilidad, se habla de superposición de las funciones de partículas entrelazadas en el sentido de que la función de probabilidad del sistema incorpora más información sobre sus partículas por la interdependencia mutua.

    El entrelazamiento puntual en el momento inicial está demostrado experimentalmente y no hay ningún problema al respecto, siempre que no se extienda el concepto a la comunicación instantánea posterior entre partículas separadas, puesto que esta circunstancia no está demostrada experimentalmente.

  • Comunicación instantánea.

    Si abrimos el sobre entrelazado del país B y tiene la foto con la cara de la moneda, sabremos inmediatamente que el sobre del país C tiene la foto de la cruz, pero eso no significa que el cartero haya ido corriendo a meter la foto con la cruz en el sobre del país C sino que ya estaba en el sobre desde que se envió.

    Conviene tener cuidado con la terminología cuántica, al hecho de conocerse inmediatamente el contenido del sobre del país C se le llama colapso instantáneo de la función de onda. En otras palabras, como ya no existe incertidumbre sobre su contenido, se dice que la función de onda –función de probabilidad– ha colapsado, en claro mimetismo paradójico con el verdadero colapso de una onda mecánica.

    La comunicación instantánea entre los sobres o las partículas no existe, al menos mientras no se demuestre con experimentos sin gato encerrado.

    Otro ejemplo es la creación de dos fotones entrelazados en la aniquilación de un positrón y un electrón. En este caso se ve más claro, pues los fotones dextrógiro y levógiro se crean entrelazados por la naturaleza de las partículas que los crean, y una vez creados no cambian su Spin –salvo decoherencia cuántica– y no se comunicarán entre ellos a pesar de estar entrelazados.

    Respecto a la comunicación instantánea de información, tampoco existe puesto que la información obtenida en el país B hay que comunicarla al país C para que éste sepa el contenido de su sobre sin necesidad de abrirlo. Por supuesto, informaciones condicionadas con códigos preestablecidos pueden tener efectos, pero de forma equivalente a cualquier sistema clásico con las mismas características.

  • No aplicación del principio de incertidumbre.

    Parece evidente que el saber el contenido de un sobre sin abrirlo, aunque no sea de forma instantánea, no implica ninguna paradoja gatuna. Se trata de una superación o excepción del principio de incertidumbre de Heisenberg, al no suponer dicho conocimiento ninguna limitación, por no haberse abierto el sobre; o lo que es lo mismo, no haber realizado la medición en Mecánica Cuántica.