Teorema de la monogamia del entrelazamiento

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.

Los sistemas cuánticos de muchas partículas son la base de las futuras computadoras y redes seguras. Pero cuantas más partículas, más difícil es entender cómo están organizados: el número de estados posibles crece en avalancha. El método habitual, medir todo de manera exhaustiva, requiere una cantidad de tiempo increíble.

Cuando un núcleo atómico pesado se parte en dos fragmentos, entre ellos queda un hilo cuántico invisible. Ese hilo es el entrelazamiento: el estado de un fragmento está ligado instantáneamente al del otro, como si aún fueran una sola cosa.

Cuando un núcleo atómico pesado se parte en dos fragmentos, entre ellos queda un hilo cuántico invisible. Ese hilo es el entrelazamiento: el estado de un fragmento está ligado instantáneamente al del otro, como si aún fueran una sola cosa.

Una red aleatoria clásica se parece a un mapa de carreteras: para que cuatro ciudades se conecten en un cruce complejo, hay que tender muchas autopistas. En el mundo de las partículas cuánticas todo es distinto.

Dos diminutos diamantes flotan en el vacío, separados por una distancia que la luz no puede recorrer durante el experimento. Dentro de cada uno, como una chispa congelada, reside un espín entrelazado: un estado cuántico que los une en un todo único.

Los granos de café por separado no dan una bebida, pero con dos ya se llena la taza. En el mundo cuántico hay estados similares: de una copia no se puede extraer entrelazamiento puro, pero de varias a veces sí. Durante mucho tiempo no se supo si eso era posible. Los científicos tomaron una familia de estados que fue diseñada específicamente como banco de pruebas para esta cuestión.

El entrelazamiento cuántico — cuando las partículas están vinculadas de modo que el estado de una determina instantáneamente el estado de otra — suele ser algo frágil. Cualquier interferencia, como el calentamiento, rompe este vínculo. Pero, ¿qué pasa si el tiempo del observador es limitado?

Un gas superfluido es como una multitud que marcha al unísono: cada átomo sabe hacia dónde moverse y no se desvía del ritmo común. Pero esta multitud tiene tres «valles»: tres direcciones diferentes por las que puede avanzar.

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.

El viento lleva el polen, y cada grano de polen se mueve como si fuera independiente. Pero cuando el aire se arremolina en un torbellino, las trayectorias del polen ya no se pueden separar: están enredadas.

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.

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.

El vacío cuántico no está vacío: está atravesado por entrelazamiento que conecta regiones distantes. Pero cuando los físicos intentaron calcular este entrelazamiento, resultaba infinito. La causa son partículas de energía muy baja que pueden extenderse por un volumen arbitrariamente grande. Son como olas a las que no se les han puesto orillas.

Una cadena cuántica se parece a una guirnalda de luces, donde las bombillas son los espines de las partículas. En el caso ideal, todas las bombillas brillan sincronizadas, siguiendo un ritmo común: eso es la simetría. Pero si cortas un trozo de la guirnalda, el ritmo puede desajustarse: dentro del trozo, la simetría se rompe.

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.

Tres haces láser se entrelazan formando un triángulo. Cada uno está enlazado con los otros dos: así está diseñado el nuevo esquema que los físicos llaman «vacío comprimido de tres modos totalmente conectado».

Un intérprete se distrae con cada susurro en la sala, y una hora de reunión se convierte en dos. Algo así es como el ruido térmico interfiere con la teletransportación cuántica: las partículas portadoras pierden la sincronía y el mensaje se corrompe.

Una cadena de cien pequeños imanes yace sobre la mesa. Cada uno puede apuntar hacia arriba o hacia abajo, como una moneda que cae en cara o cruz. Pero no son imanes comunes: se sienten entre sí no solo de a uno, sino de a tres. Tres partículas vecinas parecen ponerse de acuerdo sobre hacia dónde girar. Una vez por segundo, el experimentador sacude la mesa, y todo el sistema recibe un empujón breve.

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 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.

El entrelazamiento cuántico — fenómeno en el que los estados de dos o más partículas están correlacionados independientemente de la distancia entre ellas — suele vincular propiedades internas como el espín o la polarización.

En el mundo cuántico hay una danza propia. Dos toroides superconductores, que sostienen cómodamente cada uno su flujo magnético cuantizado, giran en un vals sincronizado. Entre ellos, el vacío, ni una sola línea de fuerza, pero replican los movimientos del otro sin error.

El grafeno — un cristal bidimensional de carbono — ha tentado a los físicos durante mucho tiempo con la esperanza de una superconductividad a alta temperatura.

Cuando un electrón y su antipartícula —el positrón, predicho por Dirac— se encuentran, forman fugazmente un positronio: un minúsculo par que orbita uno alrededor del otro, como en un átomo pero sin núcleo. Casi de inmediato se desintegra, emitiendo dos fotones que quedan misteriosamente vinculados.

El entrelazamiento cuántico a menudo se comporta como una danza sincronizada, visible solo desde un ángulo. Basta cambiar la forma de observar y las partículas parecen desordenadas. Esto limita la comunicación segura. Ahora, físicos han creado un par de fotones cuya 'danza' es impecable desde cualquier perspectiva.

Un nanocable superconductor topológico es como un puente, en cuyos extremos vigilan dos guardianes inseparables, los modos de Majorana. Estas exóticas cuasipartículas, predichas ya en los años 1930, prometen ser la base de un ordenador cuántico inmune a errores.

Una cadena cuántica de espines se parece a un hilo de cuentas, donde cada cuenta es un imán microscópico que apunta hacia arriba o hacia abajo. En el modelo XXZ, estos imanes interactúan de manera diferente a lo largo de los tres ejes, y para valores especiales del parámetro —raíces de la unidad— el sistema despierta una memoria oculta.

La luz o el sonido pueden encerrarse en una región diminuta de un cristal, como una perla en su concha. Normalmente se usan dos métodos. El primero se asemeja a una bola pesada en un hoyo: una partícula con gran masa simplemente no puede rodar hacia afuera. El segundo es una jaula perfecta de espejos, donde las ondas se cancelan mutuamente en todas partes excepto en la propia trampa.

Dos gemelos entran en una habitación por puertas distintas. Cada uno recibe una caja con un botón, y cada vez que pulsan el botón, se enciende una luz roja o verde. Si los gemelos son absolutamente idénticos, cabría esperar que sus luces se enciendan según las mismas reglas internas.

En la batería de un teléfono siempre hay energía que no se puede extraer: está como pegada a los polos. En el mundo cuántico, esa parte "pegada" se llama energía ligada. Los autores del trabajo mostraron que si se conecta a la batería una partícula ayudante (que solo observa, pero no cede lo suyo), la energía ligada deja de ser un peso muerto.

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.

El núcleo atómico se parece a un autobús lleno de gente. Para liberar espacio, un grupo de dos protones y dos neutrones —el núcleo de helio, la partícula alfa— sale por la puerta delantera: es la desintegración alfa, descrita por George Gamow como un túnel bajo la barrera de energía.

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 partículas separadas por kilómetros cambian de estado de manera coordinada, como si no hubiera distancia entre ellas. Esto se llama entrelazamiento cuántico, y desde su descubrimiento ha dejado perplejos a los físicos: ningún portador conocido puede viajar más rápido que la luz, y las correlaciones aparecen al instante.

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.

Una sola toma de cámara almacena tanto una imagen normal como un mapa oculto de cómo la luz onduló a través de la escena. El entrelazamiento cuántico lo hace posible. Se generan pares de fotones vinculados: uno visita el objeto, su gemelo toma un desvío. Después, medir al gemelo de una manera extrae la información de brillo.

Una orquesta en la que cada músico toca su parte sin escuchar a los demás. De repente, sin una orden visible, los vecinos de atril empiezan a sincronizarse a la perfección, pero aún no hay una melodía común. Algo parecido ocurre en algunos materiales al enfriarse: los electrones pierden energía, como si se prepararan para la superconductividad, pero nunca llegan a ella.

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.

Dos antenas en una habitación insonorizada solo captan ruido. Pero si empiezas a girarlas —especialmente en direcciones opuestas— entre el ruido emerge una señal común.