protección del entrelazamiento

Una piedra cae en un estanque y se forman círculos en el agua. De manera similar, los cuerpos masivos generan ondas gravitacionales, solo que aquí es el propio espacio el que oscila. Hasta ahora, estas ondas se han detectado con enormes detectores: estos se estremecen ligeramente cuando una onda los atraviesa. ¿Y qué ocurre a nivel microscópico, dentro de un diminuto trozo de materia?

En el mundo macroscópico hay una regla sencilla: la densidad de energía no puede ser negativa, y su flujo no puede superar a la luz. En un café, esto se vería así: el camarero no puede repartir los pedidos más rápido de lo que corre él mismo. Los físicos llaman a esta restricción condición de dominancia de la energía.

El vacío cuántico no está vacío: está atravesado por entrelazamiento que conecta regiones distantes. Pero cuando los físicos intentaron calcular este entrelazamiento, resultaba infinito. La causa son partículas de energía muy baja que pueden extenderse por un volumen arbitrariamente grande. Son como olas a las que no se les han puesto orillas.

Un intérprete se distrae con cada susurro en la sala, y una hora de reunión se convierte en dos. Algo así es como el ruido térmico interfiere con la teletransportación cuántica: las partículas portadoras pierden la sincronía y el mensaje se corrompe.

El servicio en la nube distribuye órdenes a un enjambre de drones sin conocer sus movimientos. Las señales están cifradas, pero cada maniobra deja una huella apenas perceptible en el cifrado, como la tinta que traspasa el papel al presionar con el bolígrafo.

El mundo cuántico ama el equilibrio. Cuando se obliga a una partícula masiva a bifurcarse —a ir por dos caminos a la vez—, algo debe balancearse en respuesta. Ese "algo" resulta ser el propio aparato que dividió a la partícula.

En el microcosmos, el ruido —las fluctuaciones aleatorias— suele destruir los frágiles estados cuánticos, igual que las ondas en el agua rompen el reflejo en un charco. Sin embargo, en algunos sistemas, el ruido colectivo y coordinado de muchas partículas produce el efecto contrario: surge un flujo unidireccional estable.

La luz o el sonido pueden encerrarse en una región diminuta de un cristal, como una perla en su concha. Normalmente se usan dos métodos. El primero se asemeja a una bola pesada en un hoyo: una partícula con gran masa simplemente no puede rodar hacia afuera. El segundo es una jaula perfecta de espejos, donde las ondas se cancelan mutuamente en todas partes excepto en la propia trampa.

Un agujero negro se parece a una caja fuerte que va soltando poco a poco su contenido —energía e información— a través de un débil resplandor llamado radiación de Hawking. Pero si la caja fuerte se abre demasiado rápido, en su borde puede encenderse una «pared de fuego», una región donde las leyes habituales de la física dejan de funcionar.

Golpee un diapasón: sonará y se apagará gradualmente. Algo parecido ocurre con los bordes de ciertas cadenas cuánticas si se las 'sacude' bruscamente: las oscilaciones se amortiguan y la memoria del estado inicial desaparece. Pero los físicos han descubierto que en algunos casos este sonido perdura sorprendentemente.

El agua caliente a veces se congela antes que la fría: es el efecto Mpemba. En el mundo cuántico se observa una paradoja similar: cuanto más se altera el equilibrio, más rápido se restablece.

Una computadora cuántica se parece a una orquesta: cada músico lleva su parte, pero el más mínimo ruido en la sala puede descomponer al conjunto. Las partículas que almacenan información pierden fácilmente la cohesión por golpes térmicos o campos magnéticos errantes.

El agua común agua se congela como se espera. Pero a veces, la caliente se convierte en hielo más rápido que la fría: el efecto Mpemba. Recientemente, se encontró una violación similar de las reglas en el entrelazamiento cuántico, esa conexión invisible entre partículas descubierta por Erwin Schrödinger.

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.

Un diminuto imán flota en una trampa magnética, como una aguja ingrávida. Su eje magnetizado es como la aguja obstinada de una brújula a la que no le permiten girar. Ante él se alza una pared invisible.

Las baterías cuánticas aprovechan los efectos cuánticos para superar las limitaciones de los dispositivos convencionales ligadas a la entropía, medida del desorden y las pérdidas de energía. Es como un balde bajo un chorro potente: se llena rápido. Pero el balde está agujereado: el entorno succiona la energía constantemente.

Una batería normal de teléfono acumula energía en enlaces químicos: lentamente, con calentamiento y desgaste. Un condensador cuántico funciona de otra manera: no se carga con materia, sino con ritmo. Un columpio que se balancea al compás de los empujones acumula energía en el propio movimiento, sin fricción.

Tres gemelos que corren se cambian de ropa constantemente. Algo así hacen los neutrinos, esas partículas casi invisibles que nos atraviesan por billones cada segundo. Nacen en reacciones nucleares, como las del interior del Sol, y existen en tres variedades, o 'sabores'. Pero lo curioso es que, en su camino, un neutrino puede cambiar de sabor, transformarse de electrónico a muónico o a tau.

Los físicos intentan escuchar un susurro en una habitación ruidosa. Construyen una cabina insonorizada, pero incluso en ella, la propia respiración y los latidos del corazón crean interferencias. Así se buscan los indicios de la gravedad cuántica: quieren ver cómo la fuerza de la gravedad une dos partículas en un todo único, es decir, las enreda.

Una piedra cae en un estanque y las ondas se extienden en todas direcciones. De manera similar, un cuerpo masivo genera ondulaciones en el espacio-tiempo. Solo que no oscila el agua, sino la propia tela de la realidad, y en lugar de círculos tenemos ondas gravitacionales.

Una piedra cae en un estanque. Las ondas se expanden, se atenúan, y pronto la superficie vuelve a estar lisa. Pero, ¿y si el estanque no tuviera orillas, ni fondo, ni siquiera un tamaño de onda característico? En ese mundo —un mundo sin escala— viven los sistemas cuánticos cuando están rodeados por un entorno que no distingue ninguna longitud ni energía.

Un bit cuántico común se destruye con la más mínima perturbación: calor, campo magnético. Los físicos hicieron trabajar un par de átomos para que el desorden no borrara la información. Esta se codificaba no en cada átomo, sino en la diferencia de sus estados, como la tensión de una cuerda entre dos boyas.

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".

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 cuerda trenzada a partir de cien hilos cortos puede estar retorcida hacia la derecha o hacia la izquierda. Cada hilo por separado no sabe hacia dónde está torcida toda la cuerda, pero intenta deshacerla y la diferencia se manifiesta de inmediato.

El entrelazamiento cuántico funciona como una correa: une las partículas, pero la longitud de esta atadura está estrictamente limitada. En una cadena de partículas, el calor hace el papel de un perro impaciente que tensa la correa: cuanto más calor, más corta es la distancia a la que aún se mantiene la conexión.

La información cuántica es frágil: el más mínimo ruido puede destruirla. Por eso se han ideado dos métodos de protección. El primero es el desacoplamiento dinámico: se aplican pulsos rápidos a los qubits que promedian el ruido hasta anularlo. Es como agitar una caja con objetos frágiles para que no golpeen las paredes.

Frágil como hielo en un horno, el entrelazamiento cuántico normalmente muere ante el más mínimo calor. Cerca de un agujero negro, donde el espacio está curvado por la gravedad de Einstein y la radiación de Hawking calienta, cualquier enlace debería romperse.

En un cristal de carburo de silicio, parecido a una piedra transparente, se esconden defectos: lugares donde los átomos no están alineados. Uno de estos defectos funciona como un nodo cuántico: el electrón en su interior gira y procesa información, mientras que el núcleo de un átomo vecino la guarda silenciosamente.

El agua caliente a veces se congela más rápido que la fría: eso es el efecto Mpemba. En el mundo cuántico, todo es aún más sorprendente: un sistema que hierve en desorden (con alta entropía) puede calmarse incomparablemente más rápido que uno casi tranquilo.

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.

Las baterías cuánticas pierden energía debido a la entropía: la tendencia al desorden. Así como los cables dispuestos en paralelo captan interferencias, los contactos de la batería con el entorno crean canales de fuga. La solución es trenzar en una trenza los átomos gigantes que sirven de cargador y acumulador.

El entrelazamiento cuántico es un recurso frágil. Calienta el sistema y las fluctuaciones térmicas romperán los finos hilos de las correlaciones: a una temperatura suficientemente alta, aunque finita, el estado de Gibbs de un hamiltoniano local se vuelve separable, es decir, representable como una mezcla probabilística de productos de estados locales.

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.

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.

Una batería cuántica no es una caja con electrolito, sino un puñado de átomos o circuitos superconductores cuya energía se almacena en estados excitados. Se puede cargar en fracciones de segundo gracias a efectos cuánticos colectivos.