retroalimentación

En una sala con mil espectadores, los aplausos se funden en un rumor general, pero basta con que alguien se salga del ritmo para que un escalofrío recorra la sala. El mundo cuántico funciona de manera parecida: los átomos en una trampa pueden comportarse como un todo único o desmoronarse en individuos independientes.

Un rompecabezas enorme, donde cada pieza es una partícula cuántica. Para armar la imagen, no basta con unir las piezas, sino que hay que entrelazarlas de una manera especial. Normalmente, esto se hace aplicando operaciones una tras otra con cuidado, como si estuvieras armando un rompecabezas siguiendo estrictamente las instrucciones, fila por fila.

A veces, una taza de café caliente se congela más rápido que el agua fría del grifo. Esta paradoja, conocida como efecto Mpemba, durante mucho tiempo se consideró una curiosidad de la física clásica. Ahora, su análogo cuántico ha ayudado a probar y ajustar procesadores cuánticos, dispositivos que algún día podrían ser la base de computadoras ultrapotentes.

El espacio vacío no está tan vacío como parece. Según la teoría cuántica, el vacío está lleno de partículas que continuamente se crean y se destruyen.

Un grupo de búsqueda rastrea un campo brumoso. Al principio, las personas se dispersan ampliamente: una alta 'temperatura' de búsqueda significa una gran variedad de intentos. Al encontrar un rastro, se acercan. Pero la velocidad de acercamiento es crítica: si se estrecha el círculo demasiado pronto, el mejor hallazgo quedará fuera.

Los dispositivos cuánticos ya no son curiosidades de laboratorio. Se ensamblan, ajustan y reparan como equipos comunes, solo que en su interior no hay simplemente corriente, sino intrincadas redes de partículas que pueden estar en varios estados a la vez. Los ingenieros dibujan esquemas, los programadores escriben código, los físicos calculan efectos.

Una computadora cuántica se parece a una orquesta donde cada músico debe entrar exactamente en la nota. Si uno desafina, la melodía se estropea. Los músicos son los cúbits, que almacenan información.

Una computadora cuántica se parece a un instrumento musical caprichoso: el más mínimo cambio de temperatura, humedad o afinación de las cuerdas hace que la melodía suene distinta.

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.

En pos de las ondas gravitacionales — ondulaciones del espacio-tiempo dejadas por agujeros negros y estrellas de neutrones — detectores como LIGO bombean sus brazos con luz de una potencia cegadora.

Es muy probable que los ordenadores cuánticos del futuro se comuniquen mediante luz. El átomo almacena la información y el fotón la transporta por la red. Pero el átomo no permanece inmóvil: tiembla, oscila, y ese movimiento puede estropear la señal. Antes, los ingenieros solo sabían calcular el caso de un átomo inmóvil.

Un hervidor hirviendo con la tapa cerrada no muestra el burbujeo, pero el sonido y la vibración delatan la potencia de ebullición del воды.

Una partícula puede estar en dos lugares al mismo tiempo: eso es la superposición. Pero cualquier interacción, como un grito, «colapsa» instantáneamente esta incertidumbre. Durante mucho tiempo se creyó que incluso la gravedad podía interferir.

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.

Las leyes cuánticas gobiernan el mundo de los átomos. Para que un objeto grande también se vuelva cuántico, hay que congelarlo casi hasta el cero absoluto en criostatos. Los físicos hicieron lo contrario: con un láser silenciaron una membrana a temperatura ambiente. La membrana, como una diminuta campana, vibra por los empujones térmicos.

El mundo cuántico se suele dibujar con puntos, pero los instrumentos reales solo ven manchas borrosas. Heisenberg y von Neumann sospecharon desde hace tiempo: la precisión es inalcanzable.

Los bits cuánticos (cúbits) son como música frágil en un taller ruidoso. Los campos magnéticos del entorno «silencian» constantemente su estado cuántico, convirtiendo una señal ordenada en cacofonía.

Mete un dedo en el agua una sola vez y, con esa única sensación, intenta adivinar su temperatura. En el mundo cuántico, estas mediciones únicas ocurren a cada paso, solo que lo que hay que adivinar son parámetros invisibles: por ejemplo, la fuerza de compresión de un rayo láser.

En 1948, el ingeniero Claude Shannon sentó las bases de la teoría de la información. El teorema de Nyquist-Shannon dio la primera respuesta: para no perder la señal, debe haber el doble de mediciones que el detalle más rápido de la misma. En 2006, el método de muestreo comprimido (compressed sensing) relajó este requisito.

Si llevas una taza de café por la habitación de forma lenta y suave, y luego vuelves al mismo lugar, a la bebida no le pasa nada. Pero en el mundo cuántico es diferente: una partícula que completa un círculo similar no regresa exactamente igual. Adquiere un 'extra' esquivo: la fase geométrica, que los físicos llaman fase de Berry.

Las baterías comunes pierden carga, como se enfría el té. La batería cuántica funciona de otra manera: su corazón es una diminuta cavidad con fotones que se mueven frenéticamente. Si se la irradia con pares especiales de fotones, la energía fluye a una cadena de celdas-cúbits instantáneamente — como un columpio que se acelera con empujones fuertes.

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.

Lanza una piedra a un estanque: se formarán ondas en el agua. Si lanzas dos piedras cerca, las ondas se cruzarán, creando un patrón de ondas reforzadas y anuladas. Esto es la interferencia.

Una radio capta la transmisión entre crujidos y silbidos. Así funcionan hoy las computadoras cuánticas: la señal útil se ahoga en el ruido. Cuanto más dura el cálculo, más distorsionan el resultado las interferencias.

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.

El mundo cuántico se parece a una orquesta donde cada músico —una partícula— toca su parte, y juntos crean una sinfonía armoniosa. Pero basta con que aparezca ruido en la sala —chasquidos aleatorios e interferencias— para que la melodía empiece a desafinarse.

El vapor que se eleva sobre un metal caliente es una vista familiar en la cocina. Pero si en lugar de agua usamos rubidio, esa nube se convierte en una batería. No funciona mediante reacciones químicas, sino gracias a la coordinación cuántica de los átomos.

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.

El vacío cuántico no es un vacío, sino una cuerda tensa donde las partículas aparecen y desaparecen sin cesar. Un cambio brusco de condiciones —por ejemplo, el desplazamiento de los espejos de un microresonador— hace que la “cuerda” emita fotones reales.

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.

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.

Un sensor moderno en un hospital se parece a un micrófono sensible en una sala ruidosa. Capta la débil señal del corazón o del cerebro, pero junto con ella, el zumbido de los aparatos, los pasos, la respiración de los vecinos. Separar el sonido deseado de las interferencias es toda una ciencia.

Cuando dos núcleos atómicos chocan, el resultado depende de su energía y del ángulo de dispersión de los fragmentos. Normalmente, estos cálculos requieren enormes recursos computacionales y la precisión choca con las aproximaciones.

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.

Imagina la realidad como una fotografía sin revelar: antes de la medición, existe solo como una nube de probabilidades, una superposición de todos los estados posibles. Solo el acto de observar, como el revelado de una película, hace que la partícula adquiera propiedades concretas.

El magnetómetro cuántico basado en núcleos de hidrógeno funciona como auriculares con cancelación activa de ruido. Escucha el campo alternativamente de dos formas distintas: el ruido es igual en ambas, pero la señal útil es diferente. Al restar una de la otra, el dispositivo aísla la señal, reduciendo las interferencias más de 1000 veces.

En el laboratorio se mide una señal muy débil, por ejemplo, un cambio diminuto en el campo magnético. El instrumento tiembla por los coches que pasan, por la respiración del experimentador, por el calentamiento de los cables. Ese ruido técnico no se puede eliminar por completo y limita la precisión.

El té caliente generalmente se enfría más tiempo que el tibio, pero el agua a veces rompe esta regla: ya en los años 60, el estudiante Erasto Mpemba notó que el helado caliente se congela más rápido que el frío. Esta paradoja migró también al mundo cuántico: un grupo de partículas puede calmarse antes si inicialmente estaba más excitado.

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".

Dos teléfonos con la misma batería: uno se carga en un sótano con poca señal y el proceso es más lento. El porcentaje de carga actúa como la manecilla del reloj. Los físicos trasladaron esta misma lógica al mundo cuántico. Su reloj es una batería microscópica que acumula energía.