El entrelazamiento es una propiedad esencial de los sistemas cuánticos multipartitos (compuesto por varias partes o partículas), que se caracteriza por la inseparabilidad de los estados cuánticos de los objetos independientemente de su separación espacial.

La generación de entrelazamiento entre sistemas cada vez más macroscópicos y dispares es un esfuerzo continuo en la ciencia cuántica.

Hasta ahora, el entrelazamiento cuántico se ha relegado principalmente al mundo microscópico de las partículas. Pero los científicos del Instituto Niels Bohr de la Universidad de Copenhague han entrelazado recientemente dos objetos macroscópicos muy diferentes, abriendo aplicaciones completamente nuevas para el entrelazamiento cuántico.

Uno los principales escollos a resolver es el de la decoherencia inherente a sistemas macroscópicos, ya que la «decoherencia ambiental» (ver: Coherencia y decoherencia) surge a través de la interacción de un sistema con su entorno.

Aun así, el entrelazamiento cuántico ocurre entre cientos, millones e incluso más partículas. Se cree que el fenómeno tiene lugar en toda la naturaleza, entre los átomos y moléculas de las especies vivas y dentro de los metales y otros materiales.

Cuando cientos de partículas se entrelazan, siguen actuando como un objeto unificado. Como una bandada de aves, las partículas se convierten en una entidad completa en sí mismas sin estar en contacto directo unas con otras.

Científicos del Caltech (USA) se han centrado en el estudio de estos llamados sistemas entrelazados de muchos cuerpos, tanto para comprender la física fundamental como para crear y desarrollar nuevas tecnologías cuánticas.

Como dice John Preskill, profesor de física teórica Richard P. Feynman del Caltech y director del «Institute for Quantum Information and Matter»: «Puede que el entrelazamiento sea uno de los temas más importantes de la ciencia actual».

En un reciente experimento con dos pequeños tambores, los físicos han proporcionado la demostración más directa hasta ahora (2021) de que el entrelazamiento cuántico, un efecto extraño normalmente asociado con partículas subatómicas, funciona para objetos más grandes. [Thomas, 2021] [Castelvecchi, 2021] [Kotler, 2021]

Usado por el equipo de Kotler en 2021 para la demostración del entrelazamiento cuántico macroscópico. Por cortesía de Kotler.

Dos objetos distantes (a una distancia arbitrariamente grande) pueden compartir un estado cuántico común, un fenómeno conocido como «entrelazamiento». Cuando eso ocurre, las propiedades medibles de uno de los objetos, como su posición o su velocidad, permanecen ligadas a las del otro con un grado de correlación mayor del que sería posible conseguir con cualquier sistema clásico.

Los sistemas cuánticos y biológicos rara vez se discuten juntos, ya que aparentemente exigen condiciones opuestas. La vida es compleja, «caliente y húmeda», mientras que los objetos cuánticos son “pequeños y fríos”. Parece ser que recientemente se ha superado esta barrera con un tardígrado, un organismo multicelular microscópico conocido por tolerar condiciones fisicoquímicas extremas a través de un estado latente de vida conocido como criptobiosis. Se han observado acoplamiento entre el animal en criptobiosis y un bit cuántico llegando a un estado altamente entrelazado entre este sistema combinado y otro qubit. [Lee, 2021]

El entrelazamiento también puede ocurrir entre muchas partículas y hasta en organismos vivos. El fenómeno tiene lugar en toda la naturaleza. Cuando cientos de partículas se entrelazan, aún actúan como un solo objeto. Los científicos de Caltech se centran en el estudio de estos llamados “sistemas entrelazados de muchos cuerpos en macrocoherencia cuántica”, tanto para comprender la física fundamental como para crear y desarrollar nuevas tecnologías cuánticas. Como dice John Preskill (profesor de Física Teórica de Caltech): «El entrelazamiento será uno de los temas más importantes de la ciencia de este siglo». [Bjorkman, 2021]

El entrelazamiento cuántico y las correlaciones no-locales dan lugar a fenómenos sin precedentes, sin un análogo clásico. Debemos remarcar que la capacidad para detectar un entrelazamiento cuántico en “sistemas de muchos cuerpos” (multipartito) está limitada por la calidad de los dispositivos detectores. Este problema es particularmente importante en situaciones donde la estructura del entrelazamiento es desconocida a priori, y donde uno no puede confiar en los testigos de entrelazamientos existentes. Es importante la correcta implementación de observables (matriz de correlaciones) cuyo valor medio se puede utilizar para probar el entrelazamiento multipartito de manera escalable y sistemática.

Entrelazamiento Cuántico Macroscópico y Campos No Convencionales.

El entrelazamiento cuántico es un fenómeno fascinante donde dos o más partículas se conectan de tal manera que el estado de una no puede describirse independientemente del estado de la otra, incluso si están separadas por grandes distancias. Lo que sucede con una, instantáneamente afecta a la otra. Este efecto se ha demostrado experimentalmente con éxito, incluso a distancias macroscópicas y con objetos cada vez más grandes, aunque mantener el entrelazamiento en sistemas macroscópicos es extraordinariamente difícil debido a la decoherencia (la interacción con el entorno).

Cuando hablas de «compartir» información, es crucial aclarar un punto: el entrelazamiento no permite la transferencia instantánea de información clásica. Es decir, no puedes usar el entrelazamiento para enviar un mensaje más rápido que la luz. Lo que sí permite es una correlación instantánea que puede ser utilizada para tareas como la teletransportación cuántica de estados o la criptografía cuántica.

Seguidamente, nos plantearemos si esto podría basarse en «otro» campo.

Desde la perspectiva del Modelo Estándar (SM) y la Teoría Cuántica de Campos (QFT) actual:

El entrelazamiento cuántico es una predicción inherente y bien establecida de la mecánica cuántica y la Teoría Cuántica de Campos, tal como las conocemos. No se necesita «otro» campo para explicarlo. Es una propiedad fundamental de las partículas y sus interacciones dentro del marco existente. Los bosones mediadores de las fuerzas fundamentales (fotones para la electromagnética, gluones para la fuerte, W+, W- y Z para la débil) son los campos que, en última instancia, permiten que las partículas interactúen y, bajo ciertas condiciones, se entrelacen. El entrelazamiento surge de las reglas de superposición y no localidad de la propia teoría cuántica.

Si consideramos escenarios más allá del Modelo Estándar:

Aquí la respuesta se vuelve más matizada y especulativa, pero emocionante:

1. Mecanismos de Entrelazamiento «Mejorados» o Diferentes: Aunque el entrelazamiento ya está explicado, si se descubrieran formas de entrelazamiento que desafiaran las leyes actuales (por ejemplo, si se demostrara que sí permite la comunicación superlumínica de información clásica, lo cual iría en contra de la relatividad), entonces eso sí que requeriría una revisión profunda de nuestras teorías, y quizás la postulación de un nuevo campo o una modificación radical de los campos existentes. Pero hasta ahora, no hay evidencia de esto.
2. Campos para la Coherencia Cuántica a Gran Escala: Una de las mayores barreras para el entrelazamiento macroscópico es la decoherencia. Si existiera un campo o interacción fundamental que de alguna manera protegiera la coherencia cuántica a escalas muy grandes o incluso la facilitara en sistemas complejos que normalmente se comportan de manera clásica, entonces podríamos estar hablando de una nueva física. Este campo no «causaría» el entrelazamiento en sí, sino que lo mantendría o lo haría más robusto en condiciones donde actualmente es efímero.
3. Conexión con la Gravedad Cuántica o Dimensiones Extra: Algunas teorías que buscan unificar la gravedad con la cuántica, o que proponen dimensiones extra, podrían tener implicaciones para el entrelazamiento. Por ejemplo, en algunos enfoques, el entrelazamiento es visto como una propiedad intrínseca del espacio-tiempo o incluso como la base de la geometría del espacio-tiempo. Si la gravedad o nuevas dimensiones revelaran nuevos tipos de interacciones, estas podrían manifestarse en fenómenos cuánticos, incluido el entrelazamiento.
4. Campos Especulativos (p. ej. Consciencia): Volviendo a la idea de un «campo de consciencia», si este fuera un campo fundamental y tuviera propiedades físicas cuantificables que interactuaran con la materia y la energía de una manera no descrita por el Modelo Estándar (SM), teóricamente podría influir en los estados cuánticos o en el entrelazamiento. Sin embargo, como se mencionó antes, esto es pura especulación y no hay base científica ni experimental para ello. La física se basa en lo que se puede medir y reproducir.

En resumen, el entrelazamiento cuántico, tal como lo entendemos hoy, no necesita un «campo nuevo» dentro del marco de la QFT y el Modelo Estándar. Es una consecuencia natural de las propiedades de los campos y partículas ya conocidos. Sin embargo, si se descubrieran nuevos fenómenos relacionados con el entrelazamiento (especialmente a escalas macroscópicas o que desafíen los límites de la velocidad de la luz), esto podría señalar la necesidad de una nueva física y, potencialmente, de «otro» campo fundamental en una teoría extendida.