pares de fotones entrelazados

La comunicación cuántica es como enviar una carta secreta que se destruye si alguien intenta leerla. Hasta ahora, esa carta solo podía enviarse por un único camino, y eso era lento. Los científicos han ideado la manera de enviar 16 mensajeros por 16 caminos paralelos —diferentes frecuencias de luz— y han comprobado que las cartas llegan intactas.

Cuando un núcleo atómico pesado se parte en dos fragmentos, entre ellos queda un hilo cuántico invisible. Ese hilo es el entrelazamiento: el estado de un fragmento está ligado instantáneamente al del otro, como si aún fueran una sola cosa.

Dos piedrecitas caen al agua a cierta distancia. Las ondas que generan corren una hacia la otra y en algunos lugares se cancelan: el agua queda lisa, aunque cada piedra por separado habría creado ondas. Algo parecido hace un par de fotones (partículas de luz) nacidos en el mismo cristal y que vuelan en direcciones opuestas.

Una peonza gira tan rápido que el aire a su alrededor comienza a moverse al unísono. Algo similar hace un agujero negro: si rota, puede transferir su energía a las partículas que se encuentren cerca. Este proceso se llama superradiancia — se parece a un eco en las montañas, pero en lugar de sonido, se crean nuevas partículas.

En la pared, franjas claras y oscuras. Así es la luz que se cancela a sí misma. Ya en el siglo XVII, Christiaan Huygens supuso que la luz es una onda. Pero solo los experimentos de Arago y Fresnel a inicios del XIX demostraron que dos haces producen esas franjas únicamente si sus vibraciones están en el mismo plano.

En 1956, dos radiotelescopios en Jodrell Bank apuntaron a Sirio, captando no imágenes sino el temblor de la intensidad. El experimento de Hanbury Brown y Twiss (HBT) reveló algo sorprendente: las correlaciones de los fotones entrantes cuentan la estadística de la fuente, si es caótica como una lámpara térmica o coherente como un láser.

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 entrelazamiento cuántico — fenómeno en el que los estados de dos o más partículas están correlacionados independientemente de la distancia entre ellas — suele vincular propiedades internas como el espín o la polarización.

La luz incide sobre una molécula orgánica y en su interior nace un par de excitaciones gemelas. Se las llama pares tripletes. En moléculas individuales de pentaceno, estos pares saben compartir su energía con los vecinos desde hace tiempo: es la base de la fisión de singlete, que aumenta la eficiencia de las células solares.

Cuando un electrón y su antipartícula —el positrón, predicho por Dirac— se encuentran, forman fugazmente un positronio: un minúsculo par que orbita uno alrededor del otro, como en un átomo pero sin núcleo. Casi de inmediato se desintegra, emitiendo dos fotones que quedan misteriosamente vinculados.

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.

El mundo cuántico está lleno de sorpresas. En el oscilador Kerr paramétrico —un dispositivo donde la luz queda atrapada en un anillo y es excitada por un campo externo—, recientemente se observó algo extraño: los pares de niveles de energía se funden en un abrazo. Los físicos lo han llamado 'beso espectral' espectroscopía.

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.

Dos boyas en las olas. Si lanzas una piedra al agua, los círculos se expanden y mecen primero una boya y luego la otra, no al mismo tiempo. En el mundo cuántico, ese «mecer» se llama entrelazamiento: las partículas, como boyas, empiezan a moverse de manera coordinada.

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.

El espacio-tiempo puede imaginarse como una tela bien tensada. Un cuerpo masivo la hunde, dirigiendo la luz. El giro, en cambio, retuerce la tela en espiral. Ese remolino gravitacional es capaz de entrelazar un fotón pasajero con la propia fuente del giro — por ejemplo, un diminuto espejo.

Dos dados yacen en habitaciones diferentes. Si entre ellos hay «entrelazamiento», lanzar uno determina instantáneamente el resultado del otro, incluso a distancia. En el mundo cuántico, esta conexión se llama dirección (steering): un lado, al realizar mediciones en su propio sistema, parece dictar el estado a su compañero.

Cualquier instrumento de medición se ve afectado por el ruido cuántico — el temblor caótico de las partículas elementales. Para dominarlo, los físicos aplicaron a moléculas de fluoruro de calcio un truco similar a apretar un globo: presionas en un lugar y sobresale en otro.

Una orquesta en la que cada músico toca su parte sin escuchar a los demás. De repente, sin una orden visible, los vecinos de atril empiezan a sincronizarse a la perfección, pero aún no hay una melodía común. Algo parecido ocurre en algunos materiales al enfriarse: los electrones pierden energía, como si se prepararan para la superconductividad, pero nunca llegan a ella.

Dos diminutos espejos en el vacío son como patinadores en pareja. Sus oscilaciones se sincronizan mediante un hilo gravitacional invisible. Al enfriarlos a millonésimas de grado por encima del cero, ese hilo los convierte en un único vínculo cuántico: el movimiento de uno resuena instantáneamente en el otro.

En el cristal de nitruro de boro, la red atómica perfecta a veces se rompe: en algún lugar falta un átomo, en otro lo reemplaza uno extraño. Bajo un potente microscopio, estas diminutas imperfecciones se ven como trampas para electrones: capturan partículas y comienzan a brillar, y además responden a un campo magnético.

Una partícula cuántica puede estar en dos estados a la vez — como una moneda girando, cara y cruz. Cerca de un agujero negro, el horizonte de sucesos — donde la curvatura del espacio-tiempo deforma el espacio y el tiempo al extremo — actúa como una puerta de un solo sentido.

Una orquesta donde cada músico toca su propia parte y juntos crean una melodía compleja: así se ve una nube de átomos cuyos espines (rotaciones intrínsecas, como diminutas peonzas) oscilan de manera coordinada. Normalmente, estas peonzas se comportan de forma independiente.

Dos fotones entrelazados se separan en direcciones opuestas, pero siguen comportándose como un todo: la medición de uno determina instantáneamente el estado del otro. Esto es el entrelazamiento cuántico. Sin embargo, a veces se parece a un espía experimentado: no deja rastros visibles en una inspección ordinaria.

La pista de baile está llena de gente: cada uno se mueve por su cuenta, nadie se toma de las manos. De repente, la música se vuelve más fuerte y rítmica: los vecinos empiezan a agarrarse unos a otros, formando parejas que giran sincronizadas.

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.

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.

La luz se curva alrededor de los cuerpos masivos: esto se sabe desde la época de Einstein. Pero, ¿y si la atracción misma no fuera un tejido suave del espacio, sino un flujo de diminutas partículas portadoras? Entonces, un rayo que pasa junto a una partícula no solo debería doblarse, sino entrar en una relación cuántica especial con ella. Esa relación se llama entrelazamiento.

La luz no son solo rayos rectos, sino ondas electromagnéticas capaces de retorcerse en el espacio, como una pareja en un vals. A su giro total los físicos lo llaman momento angular orbital, y durante mucho tiempo se pensó que obedecía a la ley de conservación — un principio fundamental que se deriva de las simetrías de la naturaleza descubiertas por…

Imagina dos coros en salas insonorizadas sobre un escenario tambaleante. Cantan, pero no pueden oírse — el aire no transporta la melodía. Pero si el escenario tiembla, sus vibraciones conectan sus canciones. Esa es la idea detrás de una nueva prueba para la gravedad cuántica.

La gravedad es como un trampolín tensado: los cuerpos masivos lo hunden, haciendo que otros cuerpos rueden hacia ellos. Esta curvatura común del espacio — gravedad — actúa sobre todos, pero no transmite mensajes secretos.

Dos músicos tocan a dúo. En una sala ideal se escuchan perfectamente y poco a poco entran en resonancia. Pero intenta tocar en una habitación donde alguien no deja de cerrar la puerta de golpe. Parecería que el ritmo se desajusta. Pues no: a veces es precisamente ese portazo aleatorio el que hace que ambos se sincronicen al instante.

En una habitación oscura, un láser infrarrojo emite un destello y un trozo de polvo negro de K3C60, por una fracción de segundo, comienza a conducir corriente sin resistencia. La luz incide a una frecuencia de 10 terahercios, mil veces más rápida que la de un microondas.

El baterista calla, pero por las pausas se puede saber dónde no golpeó. Así también los físicos construyeron la imagen, captando no la luz, sino los momentos de oscuridad absoluta. La imagen surgió del silencio. En el experimento, iluminaron el objeto con una lámpara común. Descartaron sin piedad todos los destellos donde los fotones rebotaban en el objeto.

Dos partículas que se separan en direcciones opuestas se comportan como un todo: la medición de una determina instantáneamente el estado de la otra. Este entrelazamiento cuántico se conocía desde hace tiempo en partículas ligeras, pero ahora se ha observado por primera vez en los pesados bosones Z, los portadores de la interacción débil.

Un punto cuántico es como una lámpara individual que se enciende y se apaga a la orden de un láser, emitiendo exactamente un fotón a la vez. Pero esta luz tiene una peculiaridad: los fotones no se llevan bien entre sí, vuelan independientes, como gotas al azar de un grifo.

Los fotones entrelazados son como dos mensajeros que marchan al unísono: sus estados cuánticos, en particular la polarización, están sincronizados de tal manera que medir uno determina instantáneamente el estado del otro, incluso a distancia. En un material, esta sincronía se rompe.

Un punto cuántico del tamaño de un virus, aprisionado entre espejos, con un destello breve de luz engendra dos fotones. Estos fotones salen en pareja y sus polarizaciones —las direcciones de oscilación de las ondas— están ligadas de tal modo que, si conoces una, al instante sabes la otra.

Un anillo de átomos magnéticos recuerda a una ronda en la que cada participante toma de las manos a sus vecinos. En los imanes ordinarios, cada átomo posee su propio momento magnético permanente, y estos interactúan como pequeñas agujas que tienden a alinearse en direcciones opuestas.

Los físicos han encontrado leyes exactas que rigen cómo el entrelazamiento cuántico se mezcla en sistemas caóticos. En un modelo con empujones rítmicos — como un cocinero amasando masa —, estudiaron el crecimiento de la entropía de entrelazamiento, una medida del desorden cuántico.