propagación de errores

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.

Cuando un fluido rodea un obstáculo, genera vórtices y ondas de choque. Describir su comportamiento significa resolver una ecuación no lineal en la que la velocidad del flujo depende de sí misma.

Una computadora normal calcula haciendo circular cargas eléctricas por los cables. ¿Y se puede calcular con calor? Una red de tubos por los que circula agua caliente y fría puede realizar operaciones lógicas simples si se conectan los tubos en el orden adecuado.

A veces, el agua caliente se congela más rápido que la tibia; este hecho extraño se conoce como efecto Mpemba. Ahora, algo similar se ha encontrado en el mundo cuántico: un estado con entrelazamiento débil (un vínculo cuántico especial entre partículas) puede adelantar a uno más entrelazado en el camino hacia la meta.

Una cámara observa dos chispas lejanas. Están tan cerca una de la otra que se funden en una mancha borrosa. Parece imposible distinguirlas por separado: se ha superado el límite clásico de la microscopía óptica. Pero la mecánica cuántica sugiere que el campo de luz aún guarda el secreto de dónde se encuentra cada chispa.

Una computadora cuántica de átomos neutros se parece a una ciudad donde los mensajeros — las pinzas láser — transportan físicamente los paquetes entre direcciones. Mientras un mensajero arrastra un átomo por todo el chip, los demás permanecen ociosos. Es lento y genera errores. La nueva arquitectura reemplaza a los mensajeros por una onda de radio compartida.

Una red eléctrica repleta de electrónica de potencia se parece a una orquesta enorme sin director. Cada convertidor, cada línea aporta su nota, y a veces los instrumentos empiezan a sonar a destiempo. Surgen resonancias —oscilaciones invisibles de corriente y voltaje que pueden descontrolarse y tumbar el sistema.

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.

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.

Entrenar una gran red neuronal en cientos de máquinas es como cocinar una sopa con decenas de chefs: cada uno prueba y comunica sus ajustes a los demás. En el aprendizaje automático moderno, estas «negociaciones» consumen tiempo y ancho de banda, y son vulnerables a las escuchas.

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.

Seleccionar un solo microchip defectuoso entre un millón, sin ninguna pista de cómo es el fallo, es un clásico problema de buscar una aguja en un pajar. Una computadora clásica probaría cada chip uno por uno.

Una trampa invisible de luz láser retuvo 11 mil átomos: un récord para la ingeniería cuántica. Antes los físicos se las arreglaban con decenas de estas partículas; ahora la cuenta llegó a miles. Cada átomo se convierte en un cúbit —un bit cuántico, a la vez cero y uno, como una moneda girando sobre su canto.

Imagina una biblioteca donde, en lugar de libros, hay todas las combinaciones concebibles de unas decenas de partículas cuánticas. El número de estas combinaciones crece como una bola de nieve: añade una partícula y el volumen se duplica. Para cincuenta partículas, hay más estantes que átomos en el universo visible.

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.

Un ordenador cuántico se parece a una orquesta en la que cada músico-cúbit debe tocar en un silencio perfecto. Pero cuando hay muchas orquestas y quieren tocar juntas, necesitan un director de comunicaciones fiable.

Las computadoras cuánticas en la nube se parecen a una oficina de correos: envías una carta y alguien más lee la dirección y el contenido. En los cálculos ordinarios, el servidor ve tus datos y el algoritmo. Pero los cálculos cuánticos a ciegas son un sobre que no se puede abrir: el servidor hace el trabajo, pero no sabe qué está haciendo exactamente.

Dos baterías cuánticas están separadas por una gran distancia, pero entre ellas hay una nube compartida de qubits, como un lienzo tensado. Alicia quiere cargar la batería de Bob sin tocarla. En lugar de un empujón directo, dibuja un patrón en el lienzo —un qubit lógico— gastando su propia energía.

Tres personas están sentadas en tres esquinas de una habitación. Cada una recibe un sobre sellado de un mensajero invisible, pero los mensajeros no se coordinan y nunca se han conocido. Las personas abren los sobres y ven una nota con una sola palabra: «sí» o «no». Ellos no eligen nada, solo leen.

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.

El entrelazamiento cuántico es como una telaraña invisible que conecta partículas, incluso si están muy separadas. En sistemas grandes —por ejemplo, en un trozo de material— esta telaraña puede tejer rápidamente alrededor de todos los átomos, o enredarse en un nudo y quedarse quieta. El primer caso se llama caos cuántico; el segundo, localización.

Un pescador lanza su red en un remanso tranquilo. Cuanto más larga es la cuerda, más débilmente siente la más mínima picada: la onda se atenúa por el camino. Pero, ¿y si la señal no se apagara, sino que aumentara? Más o menos este truco es el que describen los autores de un trabajo sobre un conjunto de partículas situadas en un campo con un desnivel de fuerza especialmente "escalonado".

Dos péndulos sobre una mesa estable oscilan de forma independiente. Si se colocan sobre una superficie inestable, las vibraciones sincronizan el movimiento. El mismo principio funcionó en un chip de silicio con fotones. Los científicos crearon dos fuentes de luz que emiten pares de partículas.

Una cuchara cae en una taza de café caliente y se forman ondas en la superficie. Se puede ver qué tan rápido se aleja la perturbación del punto de impacto. En el mundo cuántico, los físicos buscan ondas similares en el agua: cómo se propaga la información a lo largo de una cadena de átomos.

Los ordenadores cuánticos prometen resolver problemas que los convencionales no pueden abordar. Pero sus componentes, los bits cuánticos, son muy sensibles. Una variante de estos bits es el circuito oscilante, que puede estar en dos estados, como un péndulo que se balancea a la izquierda o a la derecha. Estos estados son los que almacenan la información.

En las baterías cuánticas, la carga se puede acelerar si se mezclan los pasos en el tiempo, como una baraja de cartas. En lugar de un crecimiento suave de la energía, se producen explosiones repentinas de eficiencia, como microscópicas supernovas dentro de los átomos.

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.

Normalmente, la corriente eléctrica es igual en ambas direcciones, como el agua en una tubería recta. Pero en la frontera entre un metal normal y un superconductor, esta regla se rompe. Dos ondas en el agua, al rodear un obstáculo ancho por lados opuestos, pueden llegar con diferente retraso y encontrarse «desfasadas».

Una computadora cuántica es como una orquesta, donde cada cúbit es un músico que toca su parte. Pero de vez en cuando irrumpe un rayo cósmico en la sala, y el violinista se sobresalta y pierde el ritmo. Estas partículas del espacio profundo atraviesan el chip, expulsan electrones extra y estropean la frágil música cuántica.

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.

La clave secreta en la comunicación cuántica se transmite mediante fotones individuales. Es imposible espiar ese canal: cualquier intento de interceptación destruye la partícula y deja rastro. Pero la idea tiene un punto débil: el hardware real, que a veces se comporta de manera distinta a lo que dicta la teoría.

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.

Una computadora cuántica en el laboratorio se parece a una orquesta: los láseres hacen el papel de arcos y los iones, de cuerdas. Para tocar la melodía deseada, se envían potentes señales de radio a los láseres, que marcan el ritmo y la altura. Pero parte de esa 'música' sale del escenario.

Una fibra óptica común es como un hilo de vidrio por el que viaja la luz. Pero cuando se envían simultáneamente señales cuánticas débiles (fotones individuales) y una potente luz láser clásica, surge un problema. El vidrio dispersa ligeramente la luz, lo que se llama dispersión Raman.

Una receta de pan escrita con tinta invisible: mientras lees, el original se desvanece. Así se comportan los cúbits: cualquier medición los altera irreversiblemente.

El número 551 parece inofensivo, pero encontrar los dos números primos que, multiplicados, dan ese resultado no es tarea fácil. Un ordenador clásico va probando combinaciones, como quien busca una llave en un llavero. Un procesador cuántico actúa de otra manera: prueba todas las opciones a la vez, pero hace falta una forma de guiarlo hacia la respuesta correcta.

Toda máquina, ya sea el motor de un coche o un diminuto nanorefrigerador, funciona con temblores. El combustible no se quema de manera uniforme, los electrones atraviesan los contactos sin seguir un horario, y la aguja de potencia en los instrumentos vibra ligeramente. Estas vibraciones se denominan fluctuaciones.

Dos diamantes artificiales actúan como diapasones. Dentro de cada uno hay un átomo de carbono-13, un bit cuántico. A su lado, un defecto de la red cristalina, como un oído atento, lee las vibraciones de este átomo.

Una orquesta toca dentro de un frigorífico gigante. Los músicos son los cúbits, las celdas elementales de la computadora cuántica. Para que suenen afinados hace falta silencio: los ruidos térmicos apagan la melodía. Por eso el corazón del procesador cuántico se enfría hasta casi el cero absoluto: menos 273 grados Celsius.