CUÁNTICA PARA TODOS Y PARA TODO
ENSAYO: TEORÍA DE LA INFORMACIÓN CUÁNTICA “LA REALIDAD ES CUESTIÓN DE INTERPRETACIÓN”
CAMILO ANDRÉS RODRÍGUEZ HERNÁNDEZ - 257970 MANUEL FELIPE CÁRDENAS RAMÍREZ – 257915
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA BOGOTÁ, 2012
LA REALIDAD ES CUESTIÓN DE INTERPRETACIÓN
Introducción La realidad, probablemente el misterio más grande que inunda la mente de la raza humana. ¿Qué conocemos? ¿Es correcto lo que decimos? ¿Qué tan cierta es nuestra interacción con lo que se encuentra a nuestro alrededor? Éstas y muchas otras preguntas tambalean los pilares más importantes de nuestra realidad. Desde Grecia se ha visto planteamientos muy divididos de qué es la realidad, cómo son las ideas, la creación de la realidad por parte del mente humana, incluso modelos que nos dicen que la existencia de los humanos es insignificante y la realidad que lo rodea es independiente a lo que ellos piensen y hagan. La materia fue un planteamiento que intentó explicar la realidad, desde una masa continua hasta una teoría atómica. Intentó explicar qué compone nuestro universo, qué leyes lo gobiernan y cuál es nuestra interacción directa sobre ella. Es una construcción basada en lo que los sentidos son capaces de “ver” y, probablemente, una construcción que permite explicar una gran cantidad de dudas. Pero esta clase de experiencia no es del todo cierta: los seres humanos tienen una gran cantidad de interacciones en su diario vivir, muchas de ellas con elementos que a la luz de sus sentidos no son observables. Existe una realidad que va más allá de lo que el ser humano es capaz de sentir. La energía, al igual que la materia, fue una nueva explicación que permitió construir un nuevo modelo de realidad. Permitió extender estos conceptos dados por la materia y darles un poco más de sentido, pero introdujo algo nuevo a la interpretación de la realidad. La energía, desde los tiempos del surgimiento de su modelo teórico, ha sido un misterio. Sus argumentos son basados en la matemática y no en la experiencia. Los seres humanos no tienen una interacción directa con estas “energías”, y principalmente introdujo una nueva forma de ver las interacciones entre los cuerpos. Existen muchas cosas que no es posible explicar, como la gravedad o los fenómenos a escalas nanométricas, y por esto la teoría energética también fue reemplazada con un nuevo modelo, uno más abstracto. Desde los comienzos de 1900, la teoría cuántica presenta poco a poco un nuevo modelo de realidad, uno con el que interactuar con nuestros sentidos cambia la misma realidad; un modelo que en nuestras mentes no es un algo que exista y, en resumen, que no podemos entender. Este nuevo modelo se ha convertido, desde la interpretación de Copenhague, en una forma pragmática de ver la realidad. No sabemos realmente qué es lo que nos rodea, pero las matemáticas y el modelo teórico que va detrás de ellas funcionan de una forma maravillosa. El mismo Schrödinger vio un tipo de interacción que no puede ser explicada mediante éste ni ningún modelo existente: el entrelazamiento cuántico. El espín de un fotón es una característica intrínseca de sí mismo, o al menos eso se creía. Dadas ciertas características y la interpretación de un conjunto de fotones dentro de un sistema se puede observar algo interesante: el espín de los elementos del sistema puede ser obtenido mediante el conocimiento o
alteración del espín de un solo elemento. Un par de fotones podrán cambiar individualmente su estado, pero afectará inmediatamente al otro. La explicación de este fenómeno es totalmente desconocida (Einstein los llamó “spooky interactions”; Bohr habló de “influencias”). Según la teoría de relatividad planteada por Einstein, la luz es el ente con la máxima de velocidad de movimiento, pero el entrelazamiento cuántico muestra algo tan curioso que rompe la anterior afirmación, aun cuando el par de fotones se encuentre de un lado al otro del universo. El entrelazamiento se cumple de la misma forma y de forma casi instantánea. ¿Qué es lo que viaja a tales velocidades que permite recorrer una distancia infinita en cuestión de nanosegundos? La información se convertiría en un ente más fundamental que la materia y la energía, pero no es la información un planteamiento abstracto que se realiza para teorizar la comunicación. La teoría clásica de la información tiene un planteamiento que va más allá de lo que alguna vez se hubiera esperado. Luego de un amplio y riguroso trabajo teórico, Shannon llegó a la conclusión de que la información tiene una estrecha relación con la entropía, y que el decaimiento de la información genera calor. Lo anterior puede parecer un planteamiento muy científico pero tiene serios aspectos sobre lo dicho anteriormente. La información es real, no un planteamiento meramente teórico. Por lo tanto, se rige bajo ciertas leyes (dependientes de la física). ¿En qué afecta este nuevo modelo físico, la mecánica cuántica, en el manejo de la información y su transmisión? Con esta pregunta, en 1980, surge un cuestionamiento que comenzará una nueva teoría de la información: ¿supondrá el hecho de codificar información en partículas que se rigen por leyes físicas distintas un cambio en el modo en el que transmitimos y procesamos información? [1] La mecánica cuántica y la información cuántica La mecánica cuántica encuentra en la información una respuesta al problema del entrelazamiento. Se plantea algo que algunos científicos han vuelto aún más extremo y es la existencia de la información como un ente y no como una interpretación de la mente, qué pasaría si más allá de la materia, y más allá de la energía se encuentra un ente aún más fundamental en esta realidad, qué pasaría si este ente puede ser entendido y por lo tanto, también la misma estructura fundamental del universo. El entrelazamiento se vería como la interacción entre dos fotones, en donde se realza la transmisión de información. En la teoría de la información planteada por Shannon, la información puede ser representada y extraída de un sistema físico a un sistema cuántico en donde se ven características de comportamiento y de realidad casi totalmente distintos a los sistemas clásicos, como se ve la información. El qubit será la nueva forma de darle un valor a estos sistemas cuánticos. Será capaz de representar un sistema que se encuentra en un estado superpuesto, atribuyéndole un ket en donde se muestran los posibles estados cuánticos del espín. Es importante mencionar que todas las otras reglas planteadas por Shannon en su teoría clásica siguen funcionando de la misma forma, sólo que aplicadas al qubit. La interpretación siempre ha sido y será un problema en el conocimiento de la realidad, suponiendo la existencia de una realidad visible y posible de acceder. Los seres humanos han intentado obtener un conjunto de leyes matemáticas que permitan predecir y comprender esta realidad con la que
interactúan. Miles de experimentos han sido realizados y miles de interpretaciones se les han atribuido, qué pasaría si la información que posee esta realidad aún no ha podido ser correctamente interpretada. La interpretación puede ser un problema fundamental al entender la realidad, algo tan básico como la estructura del ADN o del comportamiento de las moléculas, que siempre han sido estudiadas sobre concepciones macroscópicas y por lo tanto, puede ser, que esta interpretación sobre lo conocido se encuentre erróneo o incompleto. La Segunda Ley de la Termodinámica ¿Por qué termina la vida? ¿De qué manera se puede acabar la energía que necesita la vida para mantenerse? Es un par de preguntas que puede que nos hagamos con frecuencia, aunque no representen una preocupación grande para el ser humano por ahora. Sin embargo, es cierto que la Tierra no contará con la energía del sol eternamente, y eventualmente los habitantes del planeta tendrán que encontrar una fuente de energía alternativa, o incluso un nuevo planeta para vivir. Y es que este agotamiento de la energía es físicamente inevitable, por lo menos para los conocimientos y capacidades del ser humano. Aunque vale la pena hacer la aclaración: no se está violando aquél principio que a lo largo de toda la vida hemos recitado, "La energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma", puesto que la energía no se está agotando en realidad, sólo se está dispersando en el ambiente en forma de ruido o calor, y no hay manera conocida de recuperarla. Así fue demostrado por el francés Sadi Carnot, por medio de un experimento con una máquina de vapor. Esta "pérdida" de energía inevitable recibe el nombre entropía. La entropía es consecuencia de la Segunda Ley de la Termodinámica, la cual nos indica que un sistema siempre tiende al desorden; que el desorden de un sistema siempre incrementará con el tiempo. Podemos ver la entropía en la aleatoriedad de los átomos que componen un sistema físico, es decir, su movimiento en el sistema, que causa colisiones y elevación en la temperatura. Nuestro planeta es entonces quien absorbe esta energía disipada, lo cual causa que su temperatura incremente. Aunque parezca difícil de creer, cualquier actividad que requiera de energía implica un incremento en el calentamiento global. Es decir que la única manera de prevenir este calentamiento ¡es no volviendo a usar energía! La entropía es una cantidad que mide el desorden de un sistema. Esta entropía física tiene la misma forma que la entropía de la teoría de la información propuesta por Shannon. Ambos conceptos están muy relacionados, y se ha llegado a la conclusión de que la Segunda Ley de la Termodinámica establece que los sistemas tienden a un estado en el cual no se pueda contener ninguna nueva información. Sin embargo, podría decirse que entropía e información son conceptos complementarios, puesto que conforme incrementa el desorden, disminuye la información que describe el sistema. ¿Y qué relación hay entre la vida y la entropía? Pues bien, según establece Shannon, conforme la vida se vuelve más compleja, requiere más bits de información, y por tanto tiene una mayor entropía. Sin embargo, es Schrödinger quien propone que la vida se mantiene en baja entropía a través del incremento de la entropía del ambiente, y esto es gracias al procesamiento de la información, que puede estar en la comida de "baja entropía".
Sin embargo hay sistemas que aparentemente violan la Segunda Ley, pues son capaces de crear orden a partir del desorden. Son los llamados demonios de Maxwell, famosos por el experimento pensado por Maxwell, gran dolor de cabeza de los físicos durante más de un siglo, capaces de procesar información sin aparente pérdida de energía. Entre estos "demonios" se encuentran los sistemas vivos y los "computadores". Sin embargo, Leo Szilard descubrió que cualquier medición o cálculo realizado por los demonios consumen energía. O más bien, es la eliminación de esta información lo que produce una disipación de la energía. Esta es una prueba de que la información es una representación física real: para obtener información hay que dar energía a cambio. La realidad como un gran computador cuántico Algo curioso: nuestros conocimientos en la actualidad han demostrado que una máquina de Turing tiene la capacidad computacional para simular cualquier fenómeno de la realidad. La anterior afirmación va más allá de lo que la lógica y conocimientos puedan concebir. La computación cuántica nace de la premisa de que un sistema pequeño es capaz de simular otros. ¿Cuánta información es capaz de almacenar un sistema cuántico para representar otros sistemas? Planteada la idea anterior, generalizar el universo no parece una tarea imposible. Una afirmación que se escucha frecuentemente en el estudio de la información cuántica, “el universo es un gran computador cuántico”, un argumento un poco irreal, pero si cada sistema es un “minicomputador cuántico”, ¿por qué el universo no se podría considerar uno de escalas inmensas? Como se ha mencionado antes, la información es proporcional, en un sistema físico, a la entropía, por lo tanto a mayor cantidad de información, mayor va a ser la cantidad de entropía del mismo. Pero ¿qué pasaría si la información, primero existe, y segundo no es una característica intrínseca a un átomo o a una molécula, sino que se encuentra por fuera del sistema? Con lo anterior, se puede establecer una conclusión que a primera vista es muy confusa: el universo no posee información como un todo. Esto dado que el área determina la cantidad de información, pero si tomamos dos partes del universo, poseerá una cantidad de información de las áreas sumadas, y así mismo podemos hacer con cualquier porción del universo. La información, según los planteamientos anteriores, no es una sustancia infinita. Así como a Arquímedes se le fue planteado un problema acerca de la realidad, o como se ha expresado la cantidad de átomos en el universo, también se ha querido saber de la cantidad de información que posee el universo. La cantidad de información de un sistema está determinada por el área que posee, pero un objeto en esta realidad nunca podrá ser expresado en únicamente dos dimensiones. La óptica nos brinda una “herramienta” basada de forma análoga a la holografía, que permitirá calcular la cantidad de información que un cuerpo que se encuentra en tres dimensiones posee. El principio de holografía, que permite, mediante radiación de luz, representar un cuerpo que se encuentra en tres dimensiones, su área en forma plana, no es ni lo único ni más importante, sino que permitirá dar un valor a la cantidad de información que posee el cuerpo, aun cuando sólo es un reflejo. Mediante el uso del principio de holografía, se planteó de forma esperada un valor a la cantidad de información que posee el universo. Entonces, el universo se comprenderá, según esta teoría, como una
computadora cuántica finita. Una afirmación muy fuerte, dando a nuestro concepto de universo una nueva pista a poder describirlo de una forma general.
Criptografía cuántica: una aplicación de la teoría Durante las guerras, la información siempre ha jugado un papel fundamental: el posicionamiento de las armas, de los escuadrones, órdenes militares… todo esto y mucho más son mensajes que necesitan ser enviados de forma segura a través de campos de guerra, recorriendo cientos o miles de kilómetros. La criptografía juega un papel muy importante en esto, el poder codificar un mensaje de tal forma que aún interceptado fuera imposible de entender. En computación existen incontables métodos de codificación de mensajes, pero todos ellos pueden ser descifrados luego de un periodo muy amplio de tiempo o mediante el uso de métodos de descifrado. Por lo tanto, no es posible del todo creer que la información es segura sólo por usar este tipo de métodos. La mecánica cuántica nos brinda nuevas y, en teoría, mejores herramientas para el cifrado de los mensajes. Por la interferencia de un observador puede haber un cambio fundamental en el estado cuántico. Esto abre la puesta a una nueva forma de enviar mensajes. Suponiendo una forma de codificar un sistema cuántico, éste tendrá ciertas características, las cuales cambiarán si un observador realiza mediciones sobre el sistema. Por lo tanto, si un emisor envía un mensaje a un receptor, pero éste es interceptado, el receptor tendrá, cuando llegue el mensaje, métodos para verificar que el mensaje que envió fue o no interceptado, y por lo tanto, si es o no seguro. Basta decir que puede ser un error, y que el cambio de estado cuántico surgió, no por un ser con el objetivo de interceptar el mensaje, sino por un ruido que hubo en la comunicación. Según la teoría de la información clásica, este mensaje en un sistema no cuántico tendrá una sola forma de interpretarse, pero dentro de un sistema cuántico, existirán muchas salidas al sistema. Es fundamental para el receptor del mensaje tener las características exactas del sistema para poder interpretarlo y evitar daños sobre el estado cuántico. Charles Benett y Giles Bassard fueron los primeros en dar al problema de la seguridad en los mensajes un acercamiento desde la mecánica cuántica y, por supuesto, ha sido implementado. Uno de los más grandes cambios en la sociedad humana fue la entrada de los computadores en nuestras vidas. Permitió, como otros medios de comunicación, facilitar y mejorar la comunicación, la transmisión de información. Los computadores son capaces de realizar miles de cálculos en cuestión de segundos, y cada vez son más rápidos gracias al desarrollo de sus componentes. Los computadores se componen de millones de partes (transistores) semiconductores. Esto se debe aclarar: la construcción de los computadores siempre se ha realizado bajo un punto de vista clásico, pero, en la última década, el tamaño de las partes es tan pequeño que cumple con las condiciones para ser estudiadas desde un punto de vista cuántico. Se ha optimizado progresivamente el uso de los recursos. No nos referimos a las capacidades del computador, sino a la cantidad de electrones con las que puede codificar un bit y, por supuesto, esto
llevará a un límite de evolución de la tecnología actual. El objetivo más básico de la mecánica cuántica en la computación es poder almacenar esta información en la menor cantidad de electrones posibles, esto mediante el uso de los qubit. Mediante el uso de la mecánica cuántica en el desarrollo de los futuros computadores cuánticos se verán beneficios tan importantes como la optimización de las búsquedas; la posibilidad de realizar un algoritmo que originalmente llevaría cientos de años en cuestión de meses es probablemente un sueño realizable. Es importante aclarar que estos nuevos algoritmos usados por las computadoras cuánticas no son mejores que los manejados actuales. No es el manejo de la información lo que se está mejorando, sino el procesamiento de la misma. Mediante el principio de superposición, es posible la evaluación de más de un estado al mismo tiempo, reducir un número primo se lograría en cuestión de segundos, buscar en una base de datos sería realmente rápido, siempre y cuando el tamaño sea lo significativamente grande para que un algoritmo que no sea de fuerza bruta no sea capaz de resolverlo en mejores tiempos. Por el momento vale la pena aclarar que la computación cuántica tiene una gran cantidad de dificultades que, por el momento, no son mejorables. El manejo de los estados de superposición no es una tarea fácil y menos para un dispositivo que se encuentra en constante interacción con seres vivientes que poseen conciencia, como de un entorno que es capaz de “observar” el estado cuántico en el que se encuentra un sistema de electrones. Tampoco se puede ignorar la posibilidad de error dadas las características probabilísticas de un sistema cuántico. Se espera que en un futuro la computación cuántica sea una realidad, que el procesamiento de los qubits pueda realizarse sin necesidad de aislar un sistema de su ambiente y, principalmente, que sea una tecnología de uso popular. Conclusiones Para concluir el presente escrito, nos es importante aclarar que algunos de los elementos (sino son todos) presentados, pueden ser malinterpretaciones basadas en desconocimiento, como también en la opinión de los autores. Muchas veces el hombre ha visto el surgimiento y muerte de las teorías que ha construido. Un solo experimento basta para acabar con milenios de ciencia, como un nuevo planteamiento puede acabar con un paradigma. La cuántica podría, de un momento a otro, ser negada por otra teoría, o ser ampliada para darle más robustez. Es imposible saber que pasara mañana y que nuevas teorías podrán surgir. Pero es importante entender que en el momento la teoría de la información cuántica no es un planteamiento sin utilidad y, mucho menos, sin unos pilares que la soporten. La información cuántica es un campo que ha permitido el acceso de una nueva forma de ver la realidad. Aún cuando sus premisas más básicas se basan en una ciencia pragmática, no puede ser ignorado la cantidad de afirmaciones filosóficas que posee; la composición de la realidad como una gran computadora cuántica, no es ni más fuerte, ni más débil, a las actuales teorías materialistas, energistas, relativistas o cuánticas, pero así mismo es importante resaltar que su forma de ver la realidad es un poco extrema. El planteamiento de una interpretación abstracta como un ente físico, es de cierta forma, arrogante.
Bibliografía 1. Acín, Antonio. Información Cuántica. Fundación General CSIC. Recuperado Junio 8, 2012, a partir de http://www.fgcsic.es/lychnos/es_ES/articulos/informacion_cuantica 2. Vedral, Vlatko. (2010). Decoding Reality: the universe as quantum information. Estados Unidos. Oxford University Press. 3. González de Alba, Luis. (2001). El burro de Sancho y el gato de Schrödinger: un paseo al trote por cien años de física cuántica y su inespereda relación con la conciencia. Paidós Ibérica.
