estados gaussianos

Un puñado de piedritas cae en un estanque: de cada una se expanden círculos. Si las piedras son diferentes, los círculos también lo serán: unos nítidos, otros suaves. Pero cuando miras el agua desde lejos y solo ves una pequeña parte de la ondulación, todas esas diferencias se difuminan.

En los primeros instantes después del Big Bang, el universo se expandió más rápido de lo que la luz podía cruzarlo. Como un globo que se infla, pero en lugar de goma, el propio espacio. En este globo inevitablemente aparecían ondas: diminutas compresiones y rarefacciones de las que luego surgieron todas las galaxias y estrellas.

La luz que se aleja de un cuerpo masivo pierde fuerza. Su frecuencia disminuye ligeramente y el color se desplaza hacia el rojo. Los físicos llaman a esto corrimiento al rojo gravitacional. En la teoría clásica todo está claro, pero en cuanto hablamos de cuantos, empiezan las dificultades.

En una habitación oscura apenas se oye un susurro. Para distinguir las palabras, hay que acercarse mucho — o colocar muchos micrófonos sensibles.

La luz en una lente cambia de dirección, eso lo sabe todo el mundo. Las ondas gravitacionales, al pasar cerca de un cuerpo masivo, también curvan su trayectoria.

Una piedra lanzada al agua se expande en círculos. Una onda gravitacional es una ondulación similar, pero en el espacio-tiempo. La produce, por ejemplo, la fusión de dos agujeros negros. En la física clásica, esta ondulación es eterna: una vez creada, viaja por el universo sin atenuarse.

Ocho puntos brillantes en el cielo radioeléctrico. Son el mismo cuásar HS 0810+2554, cuya luz atravesó una lente gravitacional: una galaxia masiva en primer plano.

En los primeros instantes después del Big Bang, la transición de fase cósmica dividió el plasma caliente en regiones con diferentes vacíos — los estados de menor energía del campo.

Una marca de agua sutil sobre papel mojado, y un vidrio empañado frente a los ojos. Así se ve aproximadamente la tarea de leer estados cuánticos de la luz: los delicados patrones de fotones se distorsionan por las pérdidas, y los detectores capturan solo una pequeña parte de la señal.

Un mosaico de cuadrados y triángulos cubre el suelo sin dejar huecos, pero no forma un patrón repetitivo simple. Tal diseño es un cuasicristal, un sólido donde los átomos no se colocan periódicamente, sino siguiendo un patrón de varias ondas de distinta longitud. Estas ondas son inconmensurables entre sí y juntas crean un orden de largo alcance.

El plasma no es solo un gas caliente, sino toda una orquesta de partículas cargadas, donde cada grupo toca su propia parte. Los iones pesados (átomos que han perdido electrones) marcan el ritmo lento, mientras que los electrones ligeros se mueven diez mil veces más rápido.

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.

Fotografiar las alas de un colibrí con una cámara normal es obtener una mancha borrosa. Para una imagen nítida, se toman muchas fotos rápidas desde diferentes ángulos y se ensamblan, así se crea una «instantánea» cuántica. En el laboratorio, los científicos «palpan» las oscilaciones de un diminuto espejo con un rayo láser.

Desde que Fritz Zwicky notó que los cúmulos de galaxias se movían demasiado rápido, y Vera Rubin midió la rotación de los brazos espirales, la materia oscura sigue siendo el principal enigma de la cosmología.

En la imagen clásica del mundo, la gravedad son suaves curvaturas del espacio y del tiempo. Pero a nivel microscópico, donde manda la mecánica cuántica, esas curvaturas deberían convertirse en un ondulamiento granulado. Las partículas de ese ondulamiento se llaman gravitones.

Los observatorios de ondas gravitacionales se asemejan a un oído atento que escucha los lejanos retumbos de catástrofes cósmicas. Para percibir el débil susurro de los agujeros negros en fusión, los detectores de ondas gravitacionales utilizan luz especialmente preparada, denominada vacío comprimido.

En el microcosmos, las fuerzas de largo alcance —la gravedad o la electricidad— no se apagan ni siquiera a distancias enormes. Por eso, cualquier partícula arrastra una estela de fotones o gravitones suaves (es decir, de muy baja energía). A esta estela se la llama «vestido»: sin ella, los cálculos se desmoronan y aparecen infinitos.

Una nube de átomos de rubidio cae en una trampa de luz. Los láseres y los campos magnéticos la organizan como una red cristalina, pero aquí las celdas no miden fracciones de milímetro, sino fracciones de micrómetro.

El universo temprano se expandía a una velocidad inimaginable, más rápido de lo que la luz habría podido cruzarlo. En ese hervidero, cualquier región del espacio era como un bote de pintura abierto: sus fronteras capturaban continuamente nuevo "vapor" del exterior, mientras parte de su contenido se escapaba irremediablemente.

El gato cuántico es un estado de luz propuesto por Schrödinger: los fotones se comportan como una moneda giratoria, mostrando cara y cruz a la vez. Los físicos crearon tal 'moneda' de 120 fotones, moviéndose a la velocidad de la luz en una trampa de luz.

Un bloque de materia oscura a la deriva en el vacío: invisible, casi intangible. Nadie sabe de qué está hecho, pero un nuevo trabajo propone verlo como una gota de líquido cuántico.

Los metrónomos que todos conocemos, si se colocan sobre una base móvil, con el tiempo acaban balanceándose al unísono. En el mundo cuántico, este truco fue esquivo durante mucho tiempo.

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.

Dos láminas delgadas con celdas hexagonales dibujadas se superponen y se giran ligeramente. Aparece un nuevo patrón: el muaré, parecido a los reflejos de la seda. Algo similar hicieron los electrones en el experimento: se organizaron en dos capas, y una capa quedó girada respecto a la otra exactamente 30 grados.

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.

Un nanodiamante masivo en un interferómetro cuántico se divide en dos, revistiéndose de dos realidades. Su gravedad — insignificante, casi imperceptible — excita el campo cuántico del vacío, y nacen nubes coherentes de gravitones. Estas son las sombras gravitacionales, proyectadas por cada posición de la masa.

Cada sistema cuántico aislado avanza inexorablemente hacia el equilibrio térmico — un estado donde se borran todos los detalles del pasado. Es como una orquesta: en lugar de una sinfonía, empieza a tocar ruido blanco — notas aleatorias pero estadísticamente predecibles.

En el silencio del cosmos, el tejido del espacio-tiempo tiembla de manera casi imperceptible: es un susurro cuántico de escala 10⁻³⁵ m, hasta ahora considerado fundamentalmente indetectable. Pero las colisiones de agujeros negros pueden convertirlo en un grito ensordecedor.

Dentro de una estrella en explosión, los neutrinos se precipitan tan densamente que empiezan a influirse mutuamente. Sus estados cuánticos se entrelazan, como hilos en una madeja apretada donde ya no se distingue cuál es de quién. Las computadoras ordinarias apenas pueden con semejante tarea, pues el número de estados posibles crece de forma avalancha.

Las luciérnagas destellan en un bosque oscuro: se ve cada destello, pero no el vuelo. El microscopio de gas cuántico puede mostrar átomos fríos individuales, como esas luciérnagas. Pero hasta ahora no podía decir a qué velocidad se movían. Ahora los científicos han encontrado la manera de solucionarlo.

Un rayo láser en un cristal especial se convierte por sí solo en el «gato de Schrödinger», una mezcla de dos estados. Erwin Schrödinger ideó esta paradoja para un átomo, y ahora los físicos la observan en todo un flujo de fotones. La luz es como una compañía de soldados en la plaza de armas.

En el microcosmos siempre hay ruido. Incluso en el vacío absoluto algo tiembla, y estas fluctuaciones cuánticas interfieren con las mediciones precisas. Pero el ruido se puede «comprimir», como un globo inflable: si lo aprietas por los lados, un lado se adelgaza mientras el otro se hincha.

Un potente láser golpea el semiconductor, y este responde con luz en muchas frecuencias, como una cuerda que resuena con un coro de armónicos. Antes esto se usaba en espectroscopia para observar procesos ultrarrápidos.

En un fino sándwich de arseniuro de galio, los electrones no se comportan como bolitas individuales, sino como un único líquido cuántico. Si la capa se hace de solo 70 nanómetros de espesor, este líquido se separa en dos flujos casi independientes, como el aceite sobre el agua.

La luz atrapada en una cavidad diminuta se asemeja a un péndulo que se empuja cada vez con más fuerza. Al principio oscila suave y predeciblemente, como un reloj corriente. Pero si se balancea lo suficiente, el movimiento se vuelve extraño: el péndulo parece estar en dos puntos extremos a la vez.

La luz ordinaria es un flujo de fotones que viajan al azar: unos más, otros menos, y en ese caos se pierde la precisión de las mediciones. Los físicos han aprendido a "peinar" ese flujo creando luz comprimida, donde el ruido de una característica se reduce por debajo del vacío. Es como tensar una cuerda: sigue vibrando, pero ya no se tambalea.

El gato de Schrödinger suele esconderse en experimentos mentales, vivo y muerto a la vez. Esta vez lo atraparon en el laboratorio: se hizo que un pulso de luz estuviera en dos estados opuestos a la vez, como una moneda suspendida en el aire mostrando cara y cruz al mismo tiempo.

En una habitación oscura, dos linternas iluminan una misma pared. Normalmente, sus haces simplemente se superponen y la mancha se vuelve más brillante. Pero si las linternas emiten luz en paquetes especiales, los fotones, bajo ciertas condiciones pueden comportarse de otra manera.

Crear luz con un número exacto de fotones es como acuñar justo 100 000 monedas sin defectos. Hasta ahora, los físicos solo podían controlar unas decenas de partículas. La tecnología de la «máquina óptica» rompe esa barrera: las lentes virtuales, como fresas en un torno, eliminan el «desenfoque» y garantizan que cada paquete contenga exactamente la cantidad deseada de fotones.

La expansión del universo es como una pista de baile que se ensancha. Durante décadas, los físicos asumieron que más estiramiento generaría más partículas, como si la pista generara espontáneamente nuevos bailarines. Pero esos modelos ignoraban un hecho obvio: los bailarines a veces se toman de los brazos.