cota de Holevo

En 1996, los físicos se preguntaron: ¿cuánto ruido puede soportar un canal cuántico antes de dejar de transmitir información? Una conversación telefónica en la que cada tercera palabra se sustituye por ruido aleatorio aún puede entenderse. ¿Hasta qué nivel de interferencia captará el interlocutor el sentido?

Alicia prepara una partícula cuántica en uno de varios estados y se la envía a Bob. El canal por el que viaja la partícula no es perfecto: introduce ruido, dispersa, interactúa con el entorno. Bob recibe la señal e intenta averiguar qué fue exactamente lo que Alicia envió. Este es el esquema clásico de "preparar, enviar, medir", y siempre existe el riesgo de perder algo.

Una partícula cuántica se mueve en círculo, pasando por varias estaciones. En cada estación, algo le ocurre, por ejemplo, sus propiedades cambian ligeramente. Tras completar el ciclo, la partícula regresa, pero su estado ya no es exactamente el mismo que al principio.

Una computadora cuántica es como un copo de nieve frágil sobre una palma cálida. El más mínimo soplo de calor o una ligera vibración, y se convierte en una gota. Para que el copo sobreviva, se corrige constantemente, restaurando su forma original. Esto es la corrección de errores cuánticos.

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.

Un rayo láser en un túnel de varios kilómetros tiembla al paso de una onda gravitacional, pero tiembla de forma apenas perceptible, en fracciones del diámetro de un protón. Para escuchar ese susurro del cosmos, los físicos exprimen de la luz todo lo que pueden.

Hace tiempo, Richard Feynman vio en los sistemas cuánticos un desafío para los ordenadores clásicos. Ahora nos enfrentamos a la tarea inversa: entender qué es exactamente lo que ha simulado un procesador cuántico. Entre los estados que genera hay auténticas «cajas negras»: las fases topológicas de la materia.

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.

El núcleo atómico rara vez es una esfera perfecta. Más a menudo se parece a un balón ligeramente abollado: la carga eléctrica en su interior se distribuye de manera desigual, y los protones pueden desplazarse un poco, creando una diminuta protuberancia «en forma de pera».

Un rayo de luz se acerca a un agujero negro no de frente, sino en trayectoria tangencial. Si el ángulo es perfecto, la luz no cae hacia adentro ni escapa: empieza a enrollarse en círculos, como un patinador que gira en el borde de un embudo. Esta estrecha pista es el anillo de fotones.

Dos intérpretes de simultánea están sentados en la misma cabina. El primero traduce del inglés al ruso, pero se traga la mitad de las palabras. El segundo, del ruso al francés, y también pierde la mitad. Si los juntamos, parece que será un desastre: las pérdidas se sumarán y al oyente solo llegará una cuarta parte del sentido. Pero, ¿y si empiezan a corregirse mutuamente?

En la cocina, el orden de las acciones está rígidamente fijado por la receta: primero cortar, luego freír, y no de otra manera. En la física cuántica, el papel de la receta lo desempeña la causalidad: un evento es la causa de otro, y no se pueden intercambiar.

Una gota de tinta cae en un vaso de agua y, al cabo de un minuto, ya no se puede decir dónde cayó exactamente. En el mundo cuántico es aún más dramático: la información sobre un evento local se dispersa por todo el sistema tan rápido que cualquier sensor puntual deja de sentir algo pronto. Esto se llama deslocalización, y para los sensores cuánticos suena a sentencia.

En una enorme sala oscura, alguien invisible toca las cuerdas. El gas cósmico —el hidrógeno enrarecido que llenaba el universo joven— se asemeja a cuerdas tensas que pueden resonar en una onda de radio de 21 centímetros. Es el hidrógeno susurrando sobre su temperatura.

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.

Un canal iónico en la membrana celular es una puerta de unos pocos átomos de ancho. Cada segundo pasan por él millones de partículas cargadas: iones de sodio y potasio. La física clásica decía que, para atravesarlo, el ion debe saltar una barrera energética, como un viajero que cruza un alto puerto de montaña.

La computadora cuántica IBM Heron R3 resolvió un problema ante el que el método clásico se echó atrás. Se trata de encontrar el estado fundamental, es decir, el nivel de energía más bajo de un sistema de 49 bits cuánticos.

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.

Un sensor cuántico es como una línea telegráfica que transmite un mensaje hipersensible. La más mínima interferencia distorsiona la señal. Antes se creía que para una medición precisa se necesitaba un «telegrafista» sin errores: un sistema ideal de corrección de errores. Pero en la práctica, todos los elementos hacen ruido.

La agua tranquila de un lago: la más mínima ondulación desdibuja la profundidad. De igual manera, en los sensores cuánticos, el ruido —vibraciones aleatorias— genera entropía (desorden) y mata la precisión. Los físicos encontraron una salida: enredar el orden de los eventos.

Estamos acostumbrados a pensar que los eventos tienen causas, que los objetos existen por sí mismos y que las señales no pueden superar la velocidad de la luz.

La tarea se asemeja a un laberinto gigante con una sola salida entre miles de millones de callejones sin salida. Una computadora común revisa cada pasillo paso a paso, lo que llevaría siglos. El procesador cuántico lanza una onda que se filtra simultáneamente por todos los caminos. La ruta correcta resuena como un eco, amplificándose, y la respuesta se encuentra en horas.

En el corazón de un superconductor, los electrones se fusionan en pares de Cooper y se mueven sin resistencia. Pero si en ese orden perfecto surge un vórtice, una diminuta región donde la superconductividad desaparece, aparecen allí excitaciones especiales: las cuasipartículas de Bogoliubov.