El “bloqueo cuántico” explora los principios verdaderamente fundamentales de la naturaleza

Algunos criptógrafos cuánticos quieren encontrar formas de mantener el secreto de los mensajes incluso en el caso de que las reglas de la mecánica cuántica no se cumplan. La idea del quantum jamming (bloqueo o perturbación cuántica), recientemente redescubierta, complica las cosas.

Un artículo de Matt von Hippel. Historia original reimpresa con permiso de Quanta Magazine, una publicación editorialmente independiente respaldada por la Fundación Simons.

Durante las últimas décadas, los investigadores han llegado a comprender que los ordenadores cuánticos acabarán siendo capaces de descifrar los códigos de uso generalizado que protegen gran parte del mundo digital. Para protegerse de ese destino, llevan años desarrollando nuevos códigos que parecen estar a salvo de futuros reventadores de claves armados con computación cuántica.

Al mismo tiempo, también han ideado formas ingeniosas de aprovechar las reglas de la mecánica cuántica para mantener seguras las comunicaciones. Pero la mecánica cuántica, al igual que la mecánica «clásica» que la precedió, no deja de ser una teoría de la naturaleza. ¿Y si alguna vez quedara superada por una teoría más completa, del mismo modo que la mecánica cuántica desplazó a la física newtoniana hace un siglo? ¿Seguirán siendo seguras estas técnicas de comunicación cuántica en un mundo regido por un conjunto de leyes aún más fundamental?

«En lo que respecta a estos protocolos criptográficos, conviene ser paranoico», afirmó Ravishankar Ramanathan, teórico de la información cuántica de la Universidad de Hong Kong especializado en criptografía cuántica. «Intentemos minimizar los supuestos en los que se apoya el protocolo. Partamos de la base de que, en algún momento del futuro, la gente se da cuenta de que la mecánica cuántica no es la teoría definitiva de la naturaleza».

Es una posibilidad que merece la pena considerar. La dificultad de problemas aún sin resolver —como reconciliar la mecánica cuántica con la gravedad— sugiere que una teoría poscuántica de la naturaleza podría deparar algo bastante inesperado.

Para protegerse frente a la posibilidad de que sus protocolos estén basados en supuestos erróneos, algunos criptógrafos cuánticos buscan principios todavía más básicos sobre los que cimentarlos. En lugar de partir de la mecánica cuántica, excavan más hondo, hasta llegar al propio concepto de causalidad.

Un sabotaje sutil

Una manera de entender los avances en este ámbito es a través de la distribución cuántica de claves (quantum key distribution), que consiste en aprovechar las reglas de la mecánica cuántica para transmitir una clave —algo que puede usarse para descifrar un mensaje secreto— de tal manera que no pueda ser manipulada subrepticiamente. La distribución cuántica de claves hace uso del entrelazamiento cuántico, que vincula dos partículas a través de alguna de sus propiedades, como el espín. El entrelazamiento cuántico contiene algo parecido a un cable trampa: si alguien intenta alterar ese entrelazamiento —como ocurriría si tratara de robar la clave—, la intrusión destruirá el entrelazamiento y dejará al descubierto el sabotaje. Esto se debe a un principio fundamental de la mecánica cuántica denominado «monogamia del entrelazamiento».

¿Pero qué ocurriría si ese principio dejara de cumplirse? En ese caso, si las personas que intercambian el mensaje no tuvieran un control completo sobre sus dispositivos, un tercero podría modificar sutilmente el entrelazamiento de las partículas, perturbando la comunicación sin dejar rastro.

Este proceso se denomina quantum jamming (bloqueo cuántico), y los esfuerzos por comprenderlo se han multiplicado en los últimos años.

Para muchos científicos, el jamming resulta atractivo porque puede ayudarles a entender mejor tanto la mecánica cuántica como la naturaleza de la relación causa-efecto. Se preguntan: ¿existen principios profundos que prohíban el jamming, que lo hagan imposible? O bien, si ningún principio lo prohíbe, ¿podría darse el jamming en el mundo real?

Jim, el perturbador

Michał Eckstein, físico teórico de la Universidad Jagelónica de Cracovia (Polonia), suele ilustrar el jamming con una historia. Sus protagonistas son los personajes clásicos de las explicaciones de mecánica cuántica: Alicia y Bob.

«Supongamos que tienes a Alicia y Bob, y se encuentran con un mago: Jim el Perturbador», dice Eckstein. «El mago dice: “Tengo dos bolas; una es blanca y la otra es negra”».

Las bolas representan un par de partículas entrelazadas. Cuando dos partículas están entrelazadas, comparten una propiedad vinculada de alguna manera: si se mide la primera partícula y se descubre, por ejemplo, que su espín apunta hacia arriba, el espín de la otra inevitablemente apuntará hacia abajo, y viceversa. Esto se cumple incluso si la otra partícula está a medio universo de distancia. En el ejemplo, las bolas están conectadas de tal manera que si una es blanca, la otra siempre será negra.

Al más puro estilo de la magia escénica, Jim permite que el público vea cómo las bolas se introducen en dos cajas, se mezclan y se entregan a Alicia y Bob. En ese momento, nadie sabe qué bola hay en cada caja.

Entonces Alicia y Bob suben a cohetes que parten en direcciones opuestas a velocidades cercanas a la de la luz. Al cabo de un tiempo, Alicia abre su caja y Bob la suya. Pero, mientras tanto, Jim ha ejecutado su truco y las bolas han cambiado.

Al principio, ni Alicia ni Bob advierten la interferencia de Jim. Cada uno espera tener un 50 % de probabilidades de ver una bola blanca o negra, y al abrir su caja, la bola resulta ser blanca o negra. Nada de lo que haga Jim puede cambiar eso.

Sin embargo, cuando Alicia y Bob se reencuentran en la Tierra, el truco del mago queda al descubierto. Al comparar sus mediciones, descubren que las bolas son del mismo color. Jim ha alterado la naturaleza del entrelazamiento de las bolas: han pasado de tener colores opuestos a coincidir perfectamente.

Esa es la idea básica, aunque en realidad el proceso de quantum jamming es algo más complicado.

A mediados de los años noventa, Jacob Grunhaus, Sandu Popescu y Daniel Rohrlich estaban explorando hasta qué punto una teoría podía ir más allá de las reglas de la mecánica cuántica sin dejar de respetar uno de los principios centrales de Einstein: no es posible transmitir información más rápido que la velocidad de la luz. Los experimentos mentales de Einstein de mediados del siglo XX mostraron que, sin este «principio de no señalización», la propia noción de causa y efecto empezaría a desmoronarse. Desde entonces, el principio de no señalización se ha convertido en una hipótesis central cuando los físicos se plantean qué podría haber más allá de la mecánica cuántica.

«Cuando trabajamos en fundamentos cuánticos, lo que nos tomamos muy en serio es el principio de no señalización», afirmó Mirjam Weilenmann, del instituto nacional francés de investigación Inria.

Grunhaus, Popescu y Rohrlich imaginaron el jamming como una especie de superentrelazamiento capaz de interferir con partículas ya entrelazadas. Del mismo modo que se puede usar un dispositivo de medida para determinar el destino de una partícula entrelazada lejana, un hipotético dispositivo de jamming podría alterar la correlación entre un par de partículas entrelazadas a distancia. Si este procedimiento de jamming obedeciera unas pocas reglas clave, sostienen algunos físicos, podría perturbar secretamente el entrelazamiento cuántico sin alterar la causalidad.

La idea del quantum jamming era tan extraña que, al principio, los físicos no sabían muy bien qué hacer con ella. «Escribimos aquel artículo y ahí se acabó todo», reconoció Popescu.

Causa y efecto

Veinte años después, había llegado el momento de explorarla más a fondo.

La criptografía cuántica había ido ganando terreno a medida que los ordenadores cuánticos pasaban de ser ideas teóricas a experimentos en el mundo real. Durante la primera década de los años 2000, varios grupos desarrollaron la distribución cuántica de claves independiente de dispositivos (device-independent quantum key distribution), un procedimiento de criptografía cuántica cuya seguridad se apoya en la monogamia del entrelazamiento.

En 2016, Ramanathan y Paweł Horodecki estaban pensando en estos protocolos cuando dieron con el artículo de Grunhaus, Popescu y Rohrlich.

«Empezamos a darnos cuenta de que esta propiedad de monogamia, sobre la que descansa toda la criptografía independiente de dispositivos, se viene abajo por completo en cuanto empiezas a permitir este tipo de correlaciones de jamming», dijo Ramanathan.

Pronto el jamming se convirtió en objeto de un debate encendido. Muchos investigadores consideraban que al experimento mental le faltaba algo importante: aunque el jamming no puede utilizarse para enviar señales más rápido que la luz, influir en el estado de una partícula cuántica distante sigue pareciendo ese tipo de «acción fantasmal a distancia» que atormentó a Einstein durante tanto tiempo.

Pero para algunos investigadores, la incomodidad que genera el quantum jamming está abriendo nuevas vías de investigación.

«Yo lo veo como una herramienta para afinar nuestra intuición sobre cuál es la definición correcta de causalidad», afirmó Roger Colbeck, que propuso uno de los primeros protocolos de criptografía independiente de dispositivos en su tesis doctoral de 2006.

Actualmente en el King’s College de Londres, Colbeck trabaja con V. Vilasini, del centro de investigación Inria de la Universidad Grenoble Alpes, para clasificar el funcionamiento de la causa y el efecto en distintas teorías. Para ellos, el jamming sirve como un caso límite útil. Buscan otro principio fundamental —como el de no señalización— que explique qué reglas vulnera el jamming.

Los grupos de Ramanathan y Horodecki respondieron a este trabajo, así como a un artículo reciente de Weilenmann, en una prepublicación de diciembre de 2025 que redactaron junto con Eckstein, Tomasz Miller y Ryszard, el padre de Paweł Horodecki. Ahora, los investigadores mantienen una conversación abierta, buscando aclarar términos, corregir malentendidos y sacar a la luz los principios fundamentales que subyacen a las teorías físicas.

«Esa es, para mí, la pregunta más interesante», dijo Eckstein. «¿Hay nueva física detrás de todo esto? ¿Puede la física dar cabida a fenómenos así?»

El artículo original, Quantum ‘Jamming’ Explores the Truly Fundamental Principles of Nature, se publicó el 17 de abril de 2025 en Quanta Magazine.

Traducido por César Tomé López