entrelazamiento de fotones

Sobre la mesa hay un pastel de capas hecho con escamas de nitruro de boro hexagonal, un material parecido al grafito, pero formado por átomos de boro y de nitrógeno. Una de las escamas se transfiere con cuidado sobre otra y, en el punto donde se solapan, tras calentarlas en oxígeno nacen brillantes fuentes de luz individuales.

Un bibliotecario en un depósito de libros raros toma un volumen del estante y lo devuelve a su lugar sin despertar al gato que dormita cerca. Así funciona la nueva memoria cuántica: atrapa un fotón, lo esconde en la vibración mecánica de un puente diminuto de silicio y lo devuelve a la primera orden.

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.

Las redes cuánticas del futuro recuerdan a la torre de Babel: cada nodo habla su propio dialecto. Unos almacenan la información en la polarización del fotón —la dirección de oscilación de la onda luminosa—. Otros, en bits temporales, es decir, en el momento exacto en que llega el pulso.

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.

Cada aniquilación de un positrón se asemeja al nacimiento de una pareja de bailarines, unidos por un hilo invisible de polarización. Dos rayos gamma se separan, pero sus estados permanecen entrelazados: medir uno determina instantáneamente al otro, como si la pareja sintiera cada movimiento sin importar la distancia.

La célula viva emite constantemente débiles señales magnéticas, como si susurrase. Los científicos escuchan estos susurros con dos «micrófonos» microscópicos: sensores de campo magnético.

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.

Es muy probable que los ordenadores cuánticos del futuro se comuniquen mediante luz. El átomo almacena la información y el fotón la transporta por la red. Pero el átomo no permanece inmóvil: tiembla, oscila, y ese movimiento puede estropear la señal. Antes, los ingenieros solo sabían calcular el caso de un átomo inmóvil.

Un surfista se desliza sobre la superficie del océano hasta que llega una gran ola, y entonces sale disparado hacia adelante. De manera similar, un electrón libre interactúa con la luz: normalmente el intercambio de energía es apenas perceptible, pero si el medio circundante comienza a cambiar rítmicamente, cada cresta de la onda empuja a la partícula con más fuerza.

Echas un puñado de fósforo en silicio y, a cierta concentración de impurezas, el material de repente empieza a conducir la corriente. Esta es la transición de fase metal-aislante, y ocurre de manera abrupta. Pero, ¿qué cambia exactamente en las funciones de onda de los electrones cuando un aislante se convierte en metal?

El espacio-tiempo puede imaginarse como una tela bien tensada. Un cuerpo masivo la hunde, dirigiendo la luz. El giro, en cambio, retuerce la tela en espiral. Ese remolino gravitacional es capaz de entrelazar un fotón pasajero con la propia fuente del giro — por ejemplo, un diminuto espejo.

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.

A la luz le gusta la simetría: en un canal abierto fluye igual en ambas direcciones. Para dirigirla hacia uno solo, los físicos suelen usar imanes. Un nuevo enfoque prescinde de ellos, empleando la rotación —a la velocidad de un disco de vinilo— y la interferencia de dos átomos.

La luz es un flujo de fotones. En una guía de luz especial, que recuerda a un estrecho pasillo, un átomo «guardián» normalmente los deja pasar uno a uno. Este fenómeno es estudiado por la espectroscopia de partículas individuales.

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?

La luz en una fibra óptica viaja por el núcleo sin apenas escapar al exterior. Pero si uno se acerca mucho, puede sentir un leve temblor del campo en la superficie: la onda evanescente.

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.

Una cámara ultrarrápida capaz de filmar el movimiento de los electrones es el interferómetro de attosegundos. Este envía dos pulsos láser a la materia con un diminuto retraso. El primero, ultravioleta, como un destello, arranca un electrón de la molécula.

Una molécula de deuterio, formada por dos átomos de hidrógeno pesado, se desintegra al recibir el impacto de un láser. Un electrón es arrancado, dejando tras de sí un ion. En ese momento, ambos siguen vinculados: la dirección de uno revela de inmediato hacia dónde fue el otro. Esa conexión se llama entrelazamiento cuántico.

La luz puede usarse como mensajera que transporta mensajes secretos. Pero para que el mensajero no pierda ni una letra, hay que recibirla y verificarla muy rápido. El nuevo chip de película delgada de niobato de litio es como un torniquete que se abre y se cierra en fracciones de milmillonésima de segundo, dejando pasar los pulsos de luz en el momento adecuado.

Un sobre postal ordinario tiene forma rectangular, y la carta en su interior no cambia las propiedades del sobre. Con los fotones, partículas de luz, la situación es diferente: su 'forma' en el tiempo puede variar, y esa forma en sí misma transporta información.

Dos péndulos sobre una mesa estable oscilan de forma independiente. Si se colocan sobre una superficie inestable, las vibraciones sincronizan el movimiento. El mismo principio funcionó en un chip de silicio con fotones. Los científicos crearon dos fuentes de luz que emiten pares de partículas.

La luz y los átomos, como bailarines, pueden moverse al unísono o en desorden. Cuando su interacción es anisotrópica —es decir, depende de la dirección—, el baile se complica.

Se lanzan dos monedas en ciudades distintas, pero siempre caen del mismo lado. Los físicos llaman a esto entrelazamiento: las partículas se comportan como si hubiera un hilo invisible entre ellas. Pero ¿y si el hilo no fuera instantáneo, sino simplemente muy rápido, aunque sin superar la velocidad de la luz?

Un punto cuántico es como una lámpara individual que se enciende y se apaga a la orden de un láser, emitiendo exactamente un fotón a la vez. Pero esta luz tiene una peculiaridad: los fotones no se llevan bien entre sí, vuelan independientes, como gotas al azar de un grifo.

Los fotones entrelazados son como dos mensajeros que marchan al unísono: sus estados cuánticos, en particular la polarización, están sincronizados de tal manera que medir uno determina instantáneamente el estado del otro, incluso a distancia. En un material, esta sincronía se rompe.

En una habitación oscura, un átomo y la luz quedan encerrados juntos en una cajita de espejos. La cajita es tan pequeña que el átomo no puede simplemente soltar la luz: intercambian energía constantemente, como dos bailarines que no se sueltan las manos.

En la teoría cuántica, una partícula puede correr por dos caminos a la vez. Al medirla, la encontramos solo en uno. Según Niels Bohr, todas las demás posibilidades desaparecen instantáneamente, como una rama desprendida del tronco.

Un buen cocinero prueba la sopa y añade una pizca de sal. Una balanza normal no notaría esa pizca, pero una sensible sí. En el mundo cuántico, el papel de esas balanzas lo desempeñan pares de partículas entrelazadas. Antes se pensaba que la conexión debía ser la más fuerte posible; de lo contrario, la precisión no mejoraría.

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).

Dos fotones salen de una pequeña caja y se comportan como gemelos que siempre visten igual. Si giras a uno, el otro gira al instante de la misma manera, incluso si los separas por kilómetros. Esto no es un truco, sino el entrelazamiento cuántico: una conexión entre partículas que no depende de la distancia.

Un haz de luz enviado desde la Tierra a un satélite se dispersa en la atmósfera, como una linterna en la niebla. Para que la señal no se pierda, se necesita luz de longitud de onda corta, que se dispersa menos. Ese tipo de luz se genera en cristales especiales, pero es difícil reducirlos al tamaño de un chip.

El dispositivo es del tamaño de un grano de arena: un diminuto espejo parabólico mantiene un solo átomo de rubidio y recoge el brillo que emite bajo el rayo láser. Las partículas de luz capturadas se envían a la fibra óptica; todo el montaje está calibrado y no se desajusta ni con vibraciones.

Dos fotones, como las dos caras de una misma moneda, se separan decenas de kilómetros, pero permanecen conectados: si mides uno, conoces al instante el estado del otro. Esta propiedad se llama entrelazamiento y es la base de la comunicación cuántica.

Dentro de una diminuta cavidad reflectante, más pequeña que el grosor de un cabello, la luz queda atrapada y se refleja repetidamente en las paredes. Si se coloca allí una sustancia capaz de absorber y emitir luz, las partículas de luz (fotones) comienzan a "vestirse" con las excitaciones de la materia, dando lugar a los modos polaritónicos.

Dos diamantes artificiales actúan como diapasones. Dentro de cada uno hay un átomo de carbono-13, un bit cuántico. A su lado, un defecto de la red cristalina, como un oído atento, lee las vibraciones de este átomo.

Los fotones entrelazados son como gemelos: cualquier acción sobre uno afecta instantáneamente al otro, aunque estén separados por kilómetros. Hasta hace poco, solo se podía observar esta conexión con detectores que contaban cada fotón individualmente en completa oscuridad. Los físicos simplificaron la tarea reemplazándolos por una cámara científica común.

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.

Las aves migran utilizando el campo magnético. En sus ojos hay una proteína llamada criptocromo. Esta capta la luz solar, especialmente la azul, e inicia una reacción. La absorción de luz da lugar a un par de partículas que reaccionan sensiblemente al campo magnético.