Nuevo test para certificar el entrelazamiento y la no localidad en un sistema cuántico

Dibujo20130424 test RUV - quantum system as black box

Quieres comprar el ordenador cuántico o el sistema de criptografía cuántica que la empresa “fulanita” te vende. ¿Quién te certifica que es un sistema cuántico que usa el entrelazamiento y la no localidad? No puedes confiar a ciegas en lo que te diga la empresa. Tampoco puedes verificar la desigualdad de Bell (1964) o la CHSH, por Clauser, Horne, Shimony y Holt (1969), pues para ello tienes que acceder a las “tripas” del sistema y la empresa “fulanita” te quitará la garantía. Se acaba de publicar en Nature la solución a tu problema. Ben W. Reichardt (Universidad del Sur de California, Los Angeles, EE.UU.), Falk Unger (Knight Capital Group, Santa Clara, California EE.UU.) y Umesh Vazirani (Universidad de California, Berkeley, EE.UU.) han publicado una nueva versión del test CHSH mucho más fácil de verificar en la práctica, al que podemos bautizar como test RUV (por Reichardt, Unger y Vazirani). Nos lo cuentan Stefano Pironio, Dorit Aharonov, “Quantum physics: A grip on misbehaviour,” Nature 496: 436–437, 25 Apr 2013; el artículo técnico es Ben W. Reichardt, Falk Unger, Umesh Vazirani, “Classical command of quantum systems,” Nature 496: 456–460, 25 Apr 2013.

El test RUV verifica las correlaciones cuánticas entre dos sistemas que se comportan como cajas negras a las que podemos acceder sólo mediante una interfaz clásica muy sencilla. En concreto, el observador externo sólo puede realizar a cada caja negra dos preguntas pulsando sendos botones marcados con “0” y “1”, a las que el sistema puede contestar con sólo dos respuestas, también marcadas con “0” y “1” (ver la figura que abre esta entrada). El observador externo no sabe lo que significan estas preguntas (qué propiedades físicas del sistema estudian) e ignora el proceso que produce las respuestas. El sistema se puede consultar tantas veces como se desee. Las correlaciones cuánticas no triviales entre ambos sistemas dejan una marca en las respuestas clásicas que permite verificar la no localidad y el entrelazamiento entre ellos con una certeza similar al test CHSH. El nuevo test RUV promete entrar con brío en el panorama del procesado de información cuántica, la criptografíca cuántica y la computación cuántica. 

Quizás puedas pensar que un ordenador cuántico está todavía lejos y que el test RUV tiene poca utilidad práctica, pero te equivocas. Ya hace más de una década que se pueden adquirir sistemas de cifrado de alta seguridad basados en criptografía cuántica para la distribución cuántica de claves (QKD). ¿Son seguras las implementaciones de estos protocolos que se venden comercialmente? ¿Qué nivel de seguridad tienes estas implementaciones comerciales? O lo que es más importante, ¿puedes confiar en la empresa que los comercializa?

Cualquiera puede utilizar el nuevo test RUV para verificar y/o certificar si un sistema QKD comercial funciona como tiene que funcionar, tomando dicho sistema como una caja negra a la que podemos interrogar con información clásica. Un proceso parecido a un interrogatorio de un policía a dos ladrones sobre un crimen; aunque el policía no sepa nada sobre el crimen puede verificar la consistencia de las respuestas de ambos ladrones para certificar su autoría. Tiempo al tiempo, para todo augura que pronto habrá empresas de certificación de sistemas cuánticos basadas en protocolos similares al test RUV a las que recurrirán tanto los usuarios finales como las propias empresas fabricantes. Como dicen que dijo Michael Faraday al primer ministro británico: “algún día, señor, cobrará impuestos por esto.” 

III Carnaval de Biología: La molécula de ADN como un computador cuántico con entrelazamiento

El papel de los efectos cuánticos en la química física de la vida ha sido muy discutido y criticado. La evolución podría haber cooptimizado ciertos procesos cuánticos en moléculas orgánicas. Los turcos Pusuluk y Deliduman nos proponen un modelo para la duplicación del ADN en el que los nucleótidos se comportan como cubits (bits cuánticos): (1) el reconocimiento de cada nucleótico es forzado por el entrelazamiento intrabase inducido por la superposición cuántica entre diferentes tautómeros, y (2) el emparejamiento entre nucleótidos complementarios conlleva el intercambio de entrelazamientos intrabase e interbase. Aunque la idea está todavía en pañales, es curioso hasta donde pueden llegar los físicos cuando se adentran en la biología. El único problema es que este tipo de hipótesis “arriesgadas” son casi imposibles de verificar en la actualidad. El artículo técnico es Onur Pusuluk, Cemsinan Deliduman, “Entanglement Swapping Model of DNA Replication,” ArXiv, 30 Dic. 2010.

Lo primero, no es el primer modelo que sugiere la importancia de los efectos cuánticos en la molécula de ADN; muchos recordaréis la propuesta de Elisabeth Rieper, Janet Anders, Vlatko Vedral, “The relevance of continuous variable entanglement in DNA,” ArXiv, 21 Jun 2010, de la que se hizo eco KFC, “Quantum Entanglement Holds DNA Together, Say Physicists,” The Physics ArXiv Blog, Jun 28, 2010, traducido por Osccar, “El entrelazamiento cuántico mantiene unido el ADN,” Ciencia Kanija, 29 Jun 2010. Tampoco podemos olvidar “la conexión entre la fotosíntesis y los algoritmos cuánticos,” que ha llegado a ser “publicada en Nature: Biología cuántica y computación cuántica adiabática en la fotosíntesis a temperatura ambiente.” O el trabajo de Galve et al. sobre “el entrelazamiento cuántico que se da a alta temperatura en sistemas cuánticos fuera del equilibrio.”

El dogma de la biología molecular afirma que la información genética se almacena en el ADN bicatenario (dsDNA) que se divide en dos cadenas monocatenarias (ssDNA), cada una de las cuales se duplica gracias al enzima ADN polimerasa (DNApol) que toma nucleótidos del entorno y los apareja en un orden fijo (A=T, C≡G). Los detalles cuánticos de este proceso no son conocidos, debido a su complejidad, hecho que aprovechan Pusuluk y Deliduman para proponer sus ideas. ¿Hay efectos cuánticos implicados en cómo reconoce la ADN polimerasa al nucleótido que debe emparejar en la cadena de ssDNA? El proceso de replicación (o duplicación) es muy eficientie, hasta 30.000 npm (nucleótidos por minuto) en bacterias y unos 3.000 nps en humanos. Más aún, si se anulan los mecanismos de corrección de errores, se puede alcanzar un millón de npm. ¿Cómo se alcanza una eficiencia tan alta? Igual que en el caso de la fotosíntesis, lo más socorrido es recurrir a efectos cuánticos.

Todos los nucleótidos presentan formas tautoméricas alternativas, que se diferencian solo en la posición de un grupo funcional. En concreto, A, A*, T, T*, C, C*, C#, G, G* y G#. Muchas de los errores (mutaciones) en la replicación del ADN son debidos a este hecho. Por ejemplo, A* se puede aparear con C formando el enlace A*≡C,  o C* se puede aparear con A formando el enlace C*=A. Pusuluk y Deliduman proponen que las formas tautoméricas de los enlaces A=T y A*=T* pueden actuar como cubits en un estado de superposición. Comprobarlo de forma experimental es muy difícil. Según los autores, la decoherencia cuántica destruye estos estados antes de que puedan ser detectados debido a la complejidad del entorno celular. Sin embargo, una molécula como la ADN polimerasa es capaz de actuar con rapidez suficiente para evitar esta decoherencia. Obviamente, una hipótesis difícil de verificar (o refutar) es lo mejor para proponer una teoría arriesgada.

¿Algún día los biólogos tendrán que estudiar en su carrera la teoría cuántica de la información?

Por cierto, la figura que abre esta entrada está extraída de J. William Bell, “Reflecting chemical intuition,” NCSA, 2008, y presenta un resultado de simulaciones cuánticas del apareamiento de dos nucléotidos obtenidas por el equipo de Todd Martinez de la Universidad de Illinois.

Esta entrada es mi primera participación para el III Carnaval de Biología organizado por Francisco Gascó, biólogo formado en la Universidad de Valencia y autor del blog El Pakozoico. Os recuerdo, si queréis participar tenéis hasta el 30 de abril para enviar vuestras entradas a Pako. El tema elegido por él son las relaciones tróficas, pero cualquier otro tema también tiene cabida. Esta entrada, por ejemplo, tiene poco de “trófica.”