acoplamiento

Una escalera cuyos travesaños son imanes diminutos. Si los imanes vecinos apuntan en direcciones opuestas, la escalera está «tranquila». Pero si se les obliga a apuntar en la misma dirección, toda la estructura se magnetiza y se vuelve «testaruda». Los científicos construyeron esta escalera con átomos de germanio, un semiconductor con el que se fabrican transistores.

Gota a gota desde un grifo, o un chorro uniforme sin una sola salpicadura. Así se ven aproximadamente los dos regímenes de corriente en un contacto superconductor. Solo que el papel del agua lo desempeñan los pares de Cooper: electrones enlazados que se mueven sin resistencia.

Una molécula polar se parece a una pesa diminuta con cargas distintas en sus extremos. Normalmente, estas partículas se pegan o se separan rápidamente al encontrarse: las fuerzas eléctricas son demasiado fuertes. Pero los autores del trabajo encontraron la manera de convertir esa agresividad en un juego controlable.

Imagina una transición de fase cuántica como un baile complicado. Los electrones giran en orden estricto, y cada paso es su distribución espacial, mientras que el ritmo es la dinámica. Durante décadas, los físicos solo vieron un movimiento borroso, sin poder distinguir: ¿cambian las figuras o se acelera la música?

Una computadora cuántica se apoya en dos fuerzas: el entrelazamiento (las partículas se comportan como un todo único) y la «magia», una medida de cuán lejos está el estado de la física clásica habitual. Pero cómo se relacionan estos dos recursos cuando un sistema de muchas partículas evoluciona en el tiempo seguía siendo un misterio.

El campo magnético mantiene una partícula diminuta en el aire, como un compañero de baile invisible. Un ajuste especial del campo crea una trampa con dos «posiciones». En el mundo ordinario, el bailarín ocupa solo una, pero en el cuántico, ambas a la vez. Los físicos han logrado esto para motas de polvo que pesan billonésimas de gramo.

El tunelamiento cuántico — la capacidad de las partículas de atravesar barreras prohibidas por la física clásica — alimenta las estrellas con fusión termonuclear, enciende la nucleosíntesis primordial y nos da la memoria flash.

El entrelazamiento cuántico a menudo se comporta como una danza sincronizada, visible solo desde un ángulo. Basta cambiar la forma de observar y las partículas parecen desordenadas. Esto limita la comunicación segura. Ahora, físicos han creado un par de fotones cuya 'danza' es impecable desde cualquier perspectiva.

La vieja pregunta sobre el demonio de Maxwell —si un ser inteligente puede burlar la segunda ley de la termodinámica y bombear calor del frío al caliente— adquiere un nuevo significado en el mundo cuántico.

Los neutrinos son verdaderos fantasmas del microcosmos. Casi sin masa y sin carga, atraviesan los planetas como si fueran vacío. Pero dentro de cada neutrino no se esconde una partícula, sino tres: tres 'sabores' (electrónico, muónico y tau) que fluyen constantemente uno en otro. Esta danza se llama oscilación.

Una cuerda de guitarra está tensa entre dos espejos. Un haz de luz rebota entre ellos, reflejándose de un lado a otro, y la cuerda vibra con cada roce. A veces la luz pierde energía — la cuerda se la queda y la disipa en calor, como un sonido que se apaga. Otras veces la cuerda cambia el tono de la propia luz, desplazando su color, pero casi sin atenuarla.

Tres bailarines se mueven como un solo ente: cada uno siente a los demás, y la armonía global no se reduce a las interacciones individuales. Así se comportan aproximadamente tres partículas creadas en el choque de un electrón y un positrón a la velocidad de la luz. Son el quark top, su antipartícula y el bosón Z.

Los neutrinos son partículas casi escurridizas que atraviesan todo a su alrededor. En una nube densa, por ejemplo, durante la explosión de una estrella, comienzan a cambiar colectivamente su tipo, o «sabor». Este proceso se parece a cómo en una multitud las personas cambian sincronizadamente el color de su ropa, pero no todas a la vez, sino en oleadas.

La luz es un flujo de fotones. En una guía de luz especial, que recuerda a un estrecho pasillo, un átomo «guardián» normalmente los deja pasar uno a uno. Este fenómeno es estudiado por la espectroscopia de partículas individuales.

Dos intérpretes de simultánea están sentados en la misma cabina. El primero traduce del inglés al ruso, pero se traga la mitad de las palabras. El segundo, del ruso al francés, y también pierde la mitad. Si los juntamos, parece que será un desastre: las pérdidas se sumarán y al oyente solo llegará una cuarta parte del sentido. Pero, ¿y si empiezan a corregirse mutuamente?

El conductor gira el volante para que el coche doble. En el mundo cuántico también hay "volantes": parámetros externos que se cambian suavemente para trasladar partículas de un lugar a otro.

Dos pequeñas peonzas se separan tras el impacto. Su rotación no está predeterminada: solo se define en el momento de la medición. Esto es entrelazamiento cuántico: el estado de una peonza responde instantáneamente al estado de la otra, sin importar cuán lejos se encuentren.

Tres artesanos trabajan en el mismo taller. El primero intenta averiguar si diminutos relojes de arena están incrustados en la maquinaria de la propia naturaleza. El segundo acopla un puntero láser al microscopio para ver detalles invisibles al ojo desnudo. El tercero, en cambio, toma hebras vivas y las teje con cuidado en frágiles circuitos cuánticos.

Dos buzones en extremos opuestos de la ciudad. Metes una carta en uno y, al instante, aparece una idéntica en el otro. Así funciona, más o menos, el entrelazamiento cuántico: dos partículas se comportan como una sola entidad, incluso si las separas a gran distancia.

En los primeros instantes de la vida del universo, el espacio estaba lleno de plasma caliente, donde las partículas aparecían y desaparecían como burbujas en una olla hirviendo.

Dentro de cada protón y neutrón bulle un trabajo invisible: los gluones, partículas portadoras de la interacción fuerte, pegan los quarks en un todo unificado. Este campo se puede comparar con bandas de goma que impiden que los quarks se separen.

En el ping-pong, dos paletas conectadas por un hilo invisible sienten los movimientos de la otra, adivinando la trayectoria de la pelota. Los investigadores dotaron a la computadora con algo parecido a ese hilo: el entrelazamiento cuántico.

Imagina dos partículas que se comportan como si existiera un vínculo telepático entre ellas: medir el estado de una determina al instante el estado de la otra, a cualquier distancia. Albert Einstein llamó a esto "acción fantasmagórica a distancia".

Una computadora cuántica de iones se parece a una lámpara de araña con una docena de colgantes: si tiras de uno, todos se balancean. Cada ion es un qubit, pero cuando hay muchos, sus oscilaciones conjuntas saturan el escenario. Cualquier acción sobre un par afecta a los vecinos y el cálculo se echa a perder. Los autores encontraron la manera de empujar los iones de lado, no de frente.

Dentro de cada célula hay un armazón de filamentos, como un andamiaje que le da forma y le permite moverse. Estos filamentos están unidos por proteínas de enlace: unas simplemente los mantienen juntos, como cuerdas, y otras funcionan como pequeños motores que se desplazan a lo largo de los filamentos y los acercan entre sí.

Los electrones en un conductor se comportan como una multitud en una escalera mecánica: cada uno por su cuenta, pero juntos crean un flujo. Si los hacemos girar en un anillo, su momento angular (una medida de la rotación) puede acoplarse al campo magnético, como engranajes en un reloj.

En el Gran Colisionador de Hadrones, acelerando partículas a velocidades cercanas a la luz, se producen quarks top, los ladrillos más pesados del modelo estándar. Viven fracciones insignificantes de segundo, pero alcanzan a manifestar complejos vínculos cuánticos.

Si la luz pudiera embotellarse, los científicos tendrían una cadena de montaje perfecta: una botella, exactamente un fotón, sin una gota de más. Estas partículas de luz individuales son necesarias para los ordenadores cuánticos y las comunicaciones seguras: transportan información que no puede ser espiada sin ser detectada.

Los cúbits en un ordenador cuántico se parecen a los músicos de una orquesta: cada uno debe oír a los demás, o la música se desmorona. Pero si se conectan los músicos con cables de forma fija, empiezan a estorbarse mutuamente: así surge en los chips superconductores una interacción no deseada que estropea los cálculos.

Los sensores cuánticos se parecen a una orquesta donde los músicos tocan al unísono: sus estados entrelazados les permiten captar señales inaccesibles para los instrumentos comunes. Pero en cuanto se empieza a acumular la señal, la interacción no lineal —como un director que de repente dirige sin compás— estropea toda la música.

En el cristal de diamante a veces aparece un defecto diminuto: un átomo de nitrógeno ocupa el lugar de un carbono y, junto a él, queda vacante un nodo de la red. Los electrones en ese punto se comportan como una peonza que puede girar en distintas direcciones. Esas «peonzas» son celdas listas para los futuros ordenadores cuánticos y sensores hipersensibles.

En el mundo cuántico, la colisión de partículas no destruye su individualidad, sino que las teje en un nudo inseparable: los estados internos y los movimientos se entrelazan como hilos en un tapiz complejo.

En el mundo cuántico, las partículas pueden atravesar paredes: eso es el efecto túnel cuántico. Si colocamos un detector justo en el camino de ese paso "fantasmal", la detección actúa como un pistoletazo de salida: la partícula recibe un fuerte empujón y sale de la barrera con un exceso de energía, convirtiéndose en un diminuto motor.

La comunicación cuántica habitual se parece al correo postal que envía cartas una por una. Si el camino es largo, hay que esperar una eternidad para recibir respuesta. Los físicos aceleraron el proceso lanzando diez «camiones postales» —pulsos de luz— a la vez por una fibra óptica, pero en diferentes ventanas temporales.

Dos péndulos en la misma pared, si se balancean desfasados, al cabo de una hora ya marchan al unísono. Esa sincronización la observó ya Christiaan Huygens en 1665, mirando los relojes de su taller. Hoy su observación se repite en el laboratorio, pero con un matiz: los péndulos no son de madera, sino cuánticos.

En septiembre de 2024, en la sala de conciertos de Linz, en el escenario no solo había una orquesta. Junto a los músicos trabajaba un dispositivo que generaba pares de fotones entrelazados: un láser de 405 nm de longitud de onda incidía en un cristal no lineal y se dividía en dos fotones de 810 nm que volaban hacia dos estaciones de medición, Alicia y Bob.

En 1963, un escolar tanzano llamado Erasto Mpemba notó que el helado caliente se congela más rápido que el frío. Esa paradoja, que lleva su nombre, fue durante mucho tiempo motivo de debate en la termodinámica clásica. Ahora el mundo cuántico ofrece su propia versión: un estado con una ruptura de simetría más fuerte puede restaurarla más rápido que uno menos roto.

En 1867, James Clerk Maxwell imaginó un demonio que clasifica las moléculas de un gas y, con ello, viola la segunda ley de la termodinámica. El demonio necesita conocer las velocidades de las partículas.

En un criostato enfriado a decenas de milikelvins viven los cúbits superconductores. No son muchos: decenas, como mucho unos cientos. La diafonía y el ruido térmico impiden empaquetar más. Y para romper RSA-2048 se necesitan entre diez mil y diez millones de cúbits físicos.

La computación cuántica promete una revolución, pero su verdadero poder solo se desatará en red. Los mejores «cerebros» — los cúbits superconductores — se comunican en frecuencias de microondas.