generación de entrelazamiento

Un ordenador cuántico no es solo un conjunto de cúbits, sino toda una ciudad donde cada habitante es uno de los posibles estados de la máquina completa. Los habitantes se conocen entre sí a través de las interacciones débiles entre los cúbits: si un estado puede transformarse en otro, se establece un hilo de conocimiento entre ellos.

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.

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.

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.

El entrelazamiento cuántico es algo frágil. Dos amigos se reparten por distintas ciudades y llevan consigo una caja con un par de guantes: si en una caja está el izquierdo, en la otra está el derecho. Las partículas entrelazadas se comportan de manera similar, solo que hasta la medición nadie sabe cuál es cuál.

El enigma de la gravedad cuántica ha inquietado las mentes durante casi un siglo. El campo clásico que curva el espacio-tiempo se niega a encajar en el mundo probabilístico de las superposiciones. ¿Puede la gravedad, siendo macroscópica, generar entrelazamiento microscópico?

En la superficie de una esferita diminuta viven dos campos invisibles, como dos tipos de ondas en una burbuja de jabón. Estos campos no solo oscilan por sí mismos: se influyen mutuamente de manera constante, como músicos que tocan al unísono. En el nuevo trabajo, los físicos derivaron ecuaciones exactas que describen cómo estas ondas cambian con el tiempo, se calientan y transitan al caos.

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.

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 cadena de trampas, como en una hilera de fortalezas costeras, se posan los átomos. A su lado, un mar cuántico: el condensado de Bose-Einstein (una sustancia sin resistencia, donde las partículas se mueven como una sola onda).

En el mundo cuántico no se puede crear una copia de un estado desconocido de una partícula; esto fue establecido por William Wootters y Wojciech Zurek en 1982, y Charles Bennett convirtió esta prohibición en una herramienta de protección de datos.

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.

Pelotas pesadas sobre una cama elástica hunden la tela y sus hendiduras entrelazan los caminos. Así funciona la gravedad: dos partículas masivas curvan el espacio y sienten la influencia mutua. Los científicos construyeron un montaje donde las partículas, guiadas por señales cuánticas, van por dos caminos a la vez.

Un ion individual de calcio flota en una trampa de vacío, sostenido por campos eléctricos, como un guisante en un cuenco invisible. A su alrededor hay dos espejos que forman una cavidad óptica: la luz rebota entre ellos, intensificando la interacción con el ion.

En la vida cotidiana, el orden conserva, el desorden destruye. Con la información cuántica es al revés. En el diamante, los electrones y los núcleos de carbono actúan como pequeños imanes que guardan un susurro. Los electrones chismosos lo propagan al instante; los núcleos lo pasan por la cadena lentamente.

Ciento veinte músicos tocando al unísono, donde la más mínima desafinación destruye la armonía, es la metáfora de un conjunto cuántico récord.

En 1989, John Wheeler formuló una idea audaz: «it from bit», todo lo existente proviene de la información. Durante mucho tiempo esto quedó como una metáfora elegante, pero ahora los físicos han encontrado un mecanismo concreto que convierte bits en partículas.

Armar el rompecabezas a medida que llegan las piezas, en lugar de esperar a tener el conjunto completo: esa es la filosofía del nuevo protocolo de distribución de entrelazamiento cuántico.

El flujo de calor normalmente lo iguala todo: lo caliente se enfría, lo frío se calienta, y al final queda un pantano tibio y homogéneo. Así también en el mundo cuántico: el entorno, ya sea una red cristalina o un gas de fotones, tiende a destruir el frágil entrelazamiento cuántico entre partículas.

Una ola rompe en la arena y deja un dibujo de espuma y conchas. Un instante después retrocede, pero las huellas ya no son las mismas: la arena queda alisada, las conchas volteadas. Algo parecido ocurre en el mundo cuántico cuando un sistema pasa de un estado de no equilibrio hacia el equilibrio.

La emisión espontánea —ese mismo proceso que enciende lámparas y estrellas— ha sido considerada durante mucho tiempo en la física cuántica como un ruido molesto. Esta cacofonía de fotones aleatorios destruye sin piedad el frágil entrelazamiento cuántico, como el crujido de interferencias en una radio ahoga una melodía lejana.

En una cadena de ocho espines se esconde un defecto: un diminuto momento magnético. El efecto Kondo, conocido desde los años 1930, hace que los electrones a su alrededor se organicen en una pantalla colectiva. La resistencia del material aumenta de forma anómala.

Una gota de tinta en un vaso de agua se dispersa rápidamente, tiñendo todo el líquido. Algo similar ocurre con los electrones en un metal: se mueven libremente, como moléculas en un gas. Pero si en ese medio aparece una impureza magnética —un átomo con su propio momento magnético—, sucede algo extraño.