ecuación de Lindblad

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.

En un acelerador circular, un haz de electrones recorre el círculo millones de veces. Si los electrones están retorcidos, como un hilo en una cuerda, su movimiento vorticial debería conservarse. Pero en el camino se encuentran empujones aleatorios provenientes de imanes imperfectos. Los científicos han descrito cómo el movimiento vorticial cambia bajo la influencia de tales perturbaciones.

Dos cuerpos masivos, suspendidos en una superposición cuántica, recuerdan a una pareja de bailarines que intenta mantener un ritmo común mientras a su alrededor una orquesta hace ruido. Cada onda gravitacional es como un músico que los saca del compás.

Newton nos regaló un mundo donde los cuerpos se mueven en el vacío y los relojes marcan el mismo ritmo para todos. Durante tres siglos, esta imagen funcionó a la perfección. Pero en ella hay muchos puntales invisibles: la posición absoluta, la dirección "arriba-abajo", un ritmo temporal único para todo el universo.

En el mundo macroscópico hay una regla sencilla: la densidad de energía no puede ser negativa, y su flujo no puede superar a la luz. En un café, esto se vería así: el camarero no puede repartir los pedidos más rápido de lo que corre él mismo. Los físicos llaman a esta restricción condición de dominancia de la energía.

El mundo cuántico está lleno de conexiones extrañas. Dos partículas pueden estar "enredadas": el estado de una influye al instante en la otra, aunque las separen kilómetros. Pero, ¿cómo saber si están realmente enredadas? Es como un ovillo de hilo: a primera vista no se distingue si es una madeja única o solo hebras enredadas.

Una computadora cuántica se apoya en dos fuerzas: el entrelazamiento (las partículas se comportan como un todo único) y la «magia», una medida de cuán lejos está el estado de la física clásica habitual. Pero cómo se relacionan estos dos recursos cuando un sistema de muchas partículas evoluciona en el tiempo seguía siendo un misterio.

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.

El río del tiempo podría no ser un flujo suave, sino una sucesión de pasos diminutos, como una filmación cuadro a cuadro con una cámara inimaginablemente rápida. En 1964, Y. A. Golfand sugirió que el tiempo no avanza de forma continua, sino a saltos diminutos, y derivó una ecuación que predecía el inevitable aumento del desorden (entropía).

En mecánica cuántica todo es difuso: la partícula no está en un punto único, sino extendida en el espacio, y el evento no ocurre en un instante único. Pero nuestro mundo cotidiano está lleno de determinación: la moneda cayó en cara, la bombilla se encendió, en el cuaderno apareció una anotación.

El mundo cuántico está lleno de transformaciones. A veces un sistema formado por unas partículas empieza a comportarse como si hubieran aparecido otras muy distintas.

Un sistema cuántico se parece a una isla que el océano va erosionando poco a poco. Las olas son la influencia del entorno, y van borrando las costas, privando a la isla de sus contornos únicos. La ecuación GKLS (Gorini–Kossakowski–Lindblad–Sudarshan) describe precisamente la rapidez con la que desaparece esa «cuanticidad». Pero toda ola tiene una fuente de energía.

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.

Si se acelera una de cuatro partículas entrelazadas hasta una velocidad enorme, su entrelazamiento cuántico no simplemente se desvanece: primero se debilita y luego se fortalece de nuevo.

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.

Si lanzas un puñado de monedas a una caja con compartimentos, cada una caerá en su casillero y permanecerá allí para siempre. Más o menos así se comportan los átomos en una red óptica especial cuando se excitan con un láser. Estos átomos se llaman de Rydberg: uno de sus electrones se desplaza a una órbita muy lejana, y el átomo se vuelve sensible a sus vecinos.

Un diario pierde páginas, pero la historia emigra al resto. Los agujeros negros actúan de forma similar: al encogerse (como demostró Stephen Hawking), la información tragada no debería desaparecer; eventualmente vuelve a aflorar. La teoría predice una curva específica de subida y bajada para este escape.

Un procesador cuántico se parece a una orquesta, donde cada músico (cúbit) debe tocar su parte con precisión rítmica. Pero en la realidad los instrumentos se desafinan: los cúbits pierden energía y sus interacciones se distorsionan.

Los mensajes comunes son interceptados sin que nadie se dé cuenta. Los físicos idearon una manera de crear un secreto compartido que se rompe instantáneamente al ser observado. En lugar de papel, partículas individuales de luz (partículas).

La goma elástica está estirada y, de repente, se rompe. En el mundo de los átomos hay una imagen similar: la cuerda que une las partículas puede romperse. En un nuevo trabajo, los físicos tomaron una cadena de átomos de Rydberg y siguieron cómo se rompe esa cuerda.

Un reloj de pared normal avanza de manera continua, pero un reloj cuántico es otra cosa. Hace tictac en momentos aleatorios y cada tictac puede durar un intervalo distinto. En promedio, si se observa durante mucho tiempo, marcará la hora correcta. Pero en cada instante concreto su manecilla puede saltar hacia adelante una cantidad inesperada.

El mundo de la física funciona como una caja de música: tiene un regulador de velocidad. Si lo giras lentamente, la melodía es estricta: las bolas ruedan por trayectorias definidas (mecánica clásica). Aceleramos y las notas se funden en un acorde: la partícula está en muchos sitios a la vez, puras probabilidades (modo cuántico).

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.

El agua caliente a veces se congela más rápido que la fría: es el clásico efecto Mpemba. En el mundo cuántico, su contraparte es aún más sorprendente: las micropartículas pueden alcanzar el equilibrio mucho más rápido de lo esperado, y lo que les ayuda no es el olvido, sino la memoria.

La mecánica cuántica es una teoría lineal. Esta propiedad es tan fundamental que violarla implicaría perder el principio de superposición y, en consecuencia, la posibilidad de transmitir información a velocidad superlumínica.

Dos partículas comienzan su danza en total independencia. Ninguna sabe de la existencia de la otra. Pero bajo la música invisible del espacio-tiempo deformado, sus movimientos se sincronizan gradualmente: en el sistema nace el entrelazamiento, ese vínculo cuántico que Einstein llamaba "espeluznante acción a distancia".

Escuchar una señal de microondas superdébil es como oír un susurro en medio de una tormenta. Los átomos de Rydberg, hinchados hasta el tamaño de bacterias, prometen ser antenas ideales. Pero hay un problema fatal: en la lectura óptica, hasta el 98% de los fotones mensajeros desaparecen en el detector sin dejar rastro.

Una multitud en una plaza. Al principio, cada uno gira a su propio ritmo, pero de repente la música cambia y todos comienzan a moverse sincrónicamente, como un solo cuerpo. Más o menos así se comportan los electrones en algunos metales: a veces se adhieren a impurezas magnéticas, a veces se desprenden y forman un orden colectivo.