par de fotones

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.

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.

Para asomarse a lo más profundo de la estructura del mundo, los físicos aceleran electrones y los hacen chocar. Un electrón común se parece a una peonza que gira de cualquier manera. Para experimentos delicados se necesitan partículas en las que todas las peonzas apunten en la misma dirección: eso se llama polarización.

Un resonador vacío no está del todo vacío. Incluso en el vacío absoluto, donde no hay ni un solo fotón, habitan las fluctuaciones cuánticas. Son como el oleaje en un mar en calma: la superficie parece lisa, pero las moléculas no dejan de vibrar. Los físicos han aprendido a convertir esa vibración en ondas reales.

Una piedra lanzada al agua se expande en círculos. Una onda gravitacional es una ondulación similar, pero en el espacio-tiempo. La produce, por ejemplo, la fusión de dos agujeros negros. En la física clásica, esta ondulación es eterna: una vez creada, viaja por el universo sin atenuarse.

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.

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.

El mundo cuántico está lleno de sorpresas. En el oscilador Kerr paramétrico —un dispositivo donde la luz queda atrapada en un anillo y es excitada por un campo externo—, recientemente se observó algo extraño: los pares de niveles de energía se funden en un abrazo. Los físicos lo han llamado 'beso espectral' espectroscopía.

En el cristal de nitruro de boro, la red atómica perfecta a veces se rompe: en algún lugar falta un átomo, en otro lo reemplaza uno extraño. Bajo un potente microscopio, estas diminutas imperfecciones se ven como trampas para electrones: capturan partículas y comienzan a brillar, y además responden a un campo magnético.

Dos chorros paralelos de átomos, emitidos por condensados de Bose, inician su viaje en caída libre. En la imagen clásica, su separación permanece constante, como dos esquiadores deslizándose por una pendiente perfectamente lisa.

Dos buzones en extremos opuestos de la ciudad. Metes una carta en uno y, al instante, aparece una idéntica en el otro. Así funciona, más o menos, el entrelazamiento cuántico: dos partículas se comportan como una sola entidad, incluso si las separas a gran distancia.

Una linterna brilla a través de una niebla espesa. La luz se dispersa en las gotas de agua y la linterna se ve borrosa. Alrededor de un agujero negro ocurre algo parecido: un gas caliente, como una niebla, lo envuelve, y los rayos X de las partes internas del disco se abren paso a través de esa nube. Solo que aquí las «gotas» son electrones, y la «niebla» en sí se llama corona.

En un enorme acelerador, las partículas chocan entre sí y, a veces, tras el impacto solo quedan dos fotones, las partículas de la luz. Los físicos saben predecir con qué frecuencia ocurre esto, pero sus cálculos no coincidían con lo que veían los detectores. Cada refinamiento de la teoría cambiaba la respuesta, y no había acuerdo.

En una habitación oscura, un láser infrarrojo emite un destello y un trozo de polvo negro de K3C60, por una fracción de segundo, comienza a conducir corriente sin resistencia. La luz incide a una frecuencia de 10 terahercios, mil veces más rápida que la de un microondas.

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.

Un punto cuántico del tamaño de un virus, aprisionado entre espejos, con un destello breve de luz engendra dos fotones. Estos fotones salen en pareja y sus polarizaciones —las direcciones de oscilación de las ondas— están ligadas de tal modo que, si conoces una, al instante sabes la otra.

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.

Un diodo semiconductor normalmente conduce la corriente en una sola dirección, como una puerta con resorte: en un sentido se abre fácilmente, en el otro se atasca. Pero si se satura el cristal con impurezas, la puerta empieza a comportarse de manera extraña: con voltaje inverso, la corriente no solo fluye, sino que se dispara.

Un láser común es como un coro donde cada uno canta por su cuenta: el sonido es fuerte, pero con asperezas inevitables. En el nuevo láser cuántico, los cantantes se escuchan entre sí y nivelan sus voces.

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.

La luz de los diminutos cristales de perovskita es como la actuación de un coro, donde las voces suenan unas veces solas y otras en un dúo armonioso. Antes, ese dúo solo podía escucharse con un enfriamiento extremo, casi hasta el frío del espacio. Ahora, el coro canta a temperatura ambiente.

Una linterna en una niebla espesa es inútil: el haz se dispersa y la luz reflejada se ahoga en el ruido. Pero si se unen dos fotones con un hilo invisible, uno de ellos puede atravesar la niebla y volver, mientras el otro permanece a salvo. Esa conexión se llama entrelazamiento cuántico: dos partículas se comportan como un todo único, incluso cuando están muy separadas.

Una fuente de luz individual en una capa fina de nitruro de boro parpadea y se apaga en un par de nanosegundos. Se pueden crear muchas de estas fuentes en el material, pero cada una funcionaba por su cuenta durante mucho tiempo. En el nuevo trabajo, se logró que brillaran juntas, como músicos tocando al unísono.

En el Gran Colisionador de Hadrones, los físicos aceleran protones hasta casi la velocidad de la luz y los hacen chocar. Normalmente, en estas colisiones participan los propios protones, pero a veces pasan muy cerca sin tocarse, y lo que interactúan son sus campos eléctricos.

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.

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.

En el interior de cada célula viva ocurren continuamente transformaciones químicas. Algunas de ellas crean partículas inestables, cuyos electrones se comportan como imanes emparejados. Su interacción recuerda a un baile: cada movimiento de la pareja responde a los campos magnéticos externos, como a un ritmo cambiante.

En septiembre de 2024, en la sala de conciertos de Linz, en el escenario no solo había una orquesta. Junto a los músicos trabajaba un dispositivo que generaba pares de fotones entrelazados: un láser de 405 nm de longitud de onda incidía en un cristal no lineal y se dividía en dos fotones de 810 nm que volaban hacia dos estaciones de medición, Alicia y Bob.

Un láser en un cristal de niobato de litio cobra vida con una corriente de 40 miliamperios. Su luz se divide en dos haces, cada uno atraviesa una guía de ondas de seis milímetros, y allí nacen pares de fotones gemelos. Un haz gira la polarización de sus gemelos, y luego ambas corrientes se fusionan en un cauce común.

La luz solar, recogida con una lente de Fresnel y transmitida a través de 20 metros de fibra plástica, tenía una potencia de solo 3 microvatios, un millón de veces menor que la de un puntero láser típico. Esto fue suficiente para que en el cristal no lineal nacieran pares de fotones vinculados por su posición.

La emisión espontánea —ese mismo proceso que enciende lámparas y estrellas— ha sido considerada durante mucho tiempo en la física cuántica como un ruido molesto. Esta cacofonía de fotones aleatorios destruye sin piedad el frágil entrelazamiento cuántico, como el crujido de interferencias en una radio ahoga una melodía lejana.