estado de Greenberger-Horne-Zeilinger

Tres voces que se funden en un solo acorde. En la física de materiales cuánticos, esta imagen cobra un sentido literal: tres capas de grafeno, separadas por finos espaciadores, hacen que electrones y huecos de distintas capas se muevan como un único líquido.

La comunicación cuántica es como enviar una carta secreta que se destruye si alguien intenta leerla. Hasta ahora, esa carta solo podía enviarse por un único camino, y eso era lento. Los científicos han ideado la manera de enviar 16 mensajeros por 16 caminos paralelos —diferentes frecuencias de luz— y han comprobado que las cartas llegan intactas.

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.

Siete bailarines salen al escenario. Se toman de las manos de modo que cualquier trío o cuarteto se mueve en perfecta armonía con los demás: ningún grupo se sale del ritmo general. En el mundo cuántico, esto se denomina estado absolutamente máximamente entrelazado (AME, por sus siglas en inglés). Es un nudo perfecto donde cada parte lo sabe todo sobre el todo.

Una molécula polar se parece a una pesa diminuta con cargas distintas en sus extremos. Normalmente, estas partículas se pegan o se separan rápidamente al encontrarse: las fuerzas eléctricas son demasiado fuertes. Pero los autores del trabajo encontraron la manera de convertir esa agresividad en un juego controlable.

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.

Si aceleramos a un observador hasta velocidades cercanas a la de la luz, el vacío que lo rodea deja de ser frío. Aparece un resplandor térmico: un efecto predicho en 1976 y bautizado en honor a William Unruh. Para aceleraciones terrestres, este resplandor es increíblemente débil, como un susurro en un concierto de rock.

Los neutrinos son verdaderos fantasmas del microcosmos. Casi sin masa y sin carga, atraviesan los planetas como si fueran vacío. Pero dentro de cada neutrino no se esconde una partícula, sino tres: tres 'sabores' (electrónico, muónico y tau) que fluyen constantemente uno en otro. Esta danza se llama oscilación.

Tres bailarines se mueven como un solo ente: cada uno siente a los demás, y la armonía global no se reduce a las interacciones individuales. Así se comportan aproximadamente tres partículas creadas en el choque de un electrón y un positrón a la velocidad de la luz. Son el quark top, su antipartícula y el bosón Z.

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.

Cualquier instrumento de medición se ve afectado por el ruido cuántico — el temblor caótico de las partículas elementales. Para dominarlo, los físicos aplicaron a moléculas de fluoruro de calcio un truco similar a apretar un globo: presionas en un lugar y sobresale en otro.

Una burbuja de jabón flota en el aire, y su forma ya contiene todo lo necesario para calcular la tensión interna. Un principio similar ha funcionado en un nuevo trabajo sobre gravedad cuántica.

Dos fotones entrelazados se separan en direcciones opuestas, pero siguen comportándose como un todo: la medición de uno determina instantáneamente el estado del otro. Esto es el entrelazamiento cuántico. Sin embargo, a veces se parece a un espía experimentado: no deja rastros visibles en una inspección ordinaria.

Una computadora cuántica se parece a una orquesta donde cada músico toca su parte, pero basta con que uno desafine para que la melodía se desmorone. Los errores surgen constantemente: por el temblor térmico, por la imperfección de los instrumentos. Para que la sinfonía no se apague, se necesita un "director" que detecte las notas falsas y las corrija sobre la marcha.

La luz se curva alrededor de los cuerpos masivos: esto se sabe desde la época de Einstein. Pero, ¿y si la atracción misma no fuera un tejido suave del espacio, sino un flujo de diminutas partículas portadoras? Entonces, un rayo que pasa junto a una partícula no solo debería doblarse, sino entrar en una relación cuántica especial con ella. Esa relación se llama entrelazamiento.

Dos motas diminutas de polvo flotan en el cruce de rayos láser. Cada una se sostiene con sus propias «pinzas»: un haz enfocado que impide que la partícula caiga. Dentro de una cavidad de espejos, la luz rebota entre las paredes y sus oscilaciones se acoplan al temblor de las motas.

Dieciocho diminutas celdas se alinean en dos filas sobre un trozo de germanio. Cada celda es un punto cuántico, una trampa para un solo electrón cuyo espín actúa como cúbit. Antes, estos sistemas solo podían ensamblarse de a pocos; aquí, en cambio, tenemos una rejilla completa que funciona como un conjunto unificado.

Dos partículas que se separan en direcciones opuestas se comportan como un todo: la medición de una determina instantáneamente el estado de la otra. Este entrelazamiento cuántico se conocía desde hace tiempo en partículas ligeras, pero ahora se ha observado por primera vez en los pesados bosones Z, los portadores de la interacción débil.

La luz ordinaria es como una multitud en una plaza: cada fotón se mueve por su cuenta, chocando y dispersándose. Pero en algunos medios, los fotones, como una jauría de perros, comienzan a correr juntos: se agrupan. Los científicos han creado un láser de fibra aleatoria donde las partículas de luz se reúnen en bandadas especialmente densas.

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.

En el Gran Colisionador de Hadrones, acelerando partículas a velocidades cercanas a la luz, se producen quarks top, los ladrillos más pesados del modelo estándar. Viven fracciones insignificantes de segundo, pero alcanzan a manifestar complejos vínculos cuánticos.

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.

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.

Durante mucho tiempo los físicos estuvieron seguros: el entrelazamiento cuántico requiere contacto cuántico directo. Un nuevo estudio lo desmiente. Dos partículas magnéticas microscópicas, unidas solo por un resorte clásico, se entrelazan con éxito.

En el mundo cuántico, la colisión de partículas no destruye su individualidad, sino que las teje en un nudo inseparable: los estados internos y los movimientos se entrelazan como hilos en un tapiz complejo.

El entrelazamiento cuántico es una conexión especial entre partículas: se influyen mutuamente al instante, incluso separadas por años luz. Durante mucho tiempo se pensó que una aceleración intensa destruía este vínculo.

Los ordenadores cuánticos utilizan estados GKP, ideados por Alexei Kitaev, John Preskill y Daniel Gottesman. Su particularidad son las verificaciones-estabilizadores incorporadas que detectan errores. Durante mucho tiempo se creyó que una verificación exitosa garantizaba un estado casi perfecto. Por desgracia, es una ilusión.

La idea de la teletransportación cuántica fue propuesta por Charles Bennett e implementada por Anton Zeilinger. Utiliza el entrelazamiento: cuando dos partículas están sincronizadas como dos hojas que copian instantáneamente un mismo dibujo. Pero antes la «tinta» se corría y el plano se estropeaba.

En las elecciones siempre existe el riesgo de que alguien espíe tu boleta. Los físicos propusieron una solución: un voto anónimo protegido no por personas, sino por las leyes del universo. Su «urna mágica» funciona con partículas de luz: fotones.

La comunicación cuántica habitual se parece al correo postal que envía cartas una por una. Si el camino es largo, hay que esperar una eternidad para recibir respuesta. Los físicos aceleraron el proceso lanzando diez «camiones postales» —pulsos de luz— a la vez por una fibra óptica, pero en diferentes ventanas temporales.

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

Los físicos crearon por primera vez un trío de fotones entrelazados como un todo, y no solo por pares. Para ello, un chip especial se enfrió a una temperatura cientos de veces inferior a la del vacío cósmico: cualquier ruido amenazaba con destruir el frágil vínculo.

En el laboratorio de la Universidad de Purdue, un rayo láser incide sobre un cristal de nitruro de boro hexagonal y, en respuesta, destella un punto de luz individual. No es un simple brillo: es la señal de un defecto de espín, un par de espines electrónicos, uno de los cuales está acoplado al espín nuclear del carbono-13.

En un acelerador chocan dos partículas de Higgs. Por un instante brevísimo, sus destinos se entrelazan y luego se separan, llevando consigo la información del encuentro.