pureza

En un laboratorio de París, se hizo que la luz fluyera alrededor de un obstáculo, como el agua rodea una piedra en un arroyo. Solo que aquí el agua es especial: no siente fricción.

Un fotón individual es como un ladrillo perfectamente liso con el que se pueden construir tecnologías cuánticas. Pero para construir una casa, se necesitan miles de ladrillos idénticos. Los átomos de rubidio son emisores natos: cada átomo emite fotones de una sola longitud de onda, como un diapasón que siempre da la misma nota.

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.

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.

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.

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.

Viertes agua en un vaso, pero quieres obtener exactamente un millón de gotas, no aproximadamente, sino exactamente. Un grifo normal vierte un chorro donde el número de gotas siempre varía. En el mundo cuántico, con los fotones pasa lo mismo: un láser emite luz donde la cantidad de partículas fluctúa como una multitud en una plaza.

Una fuente de fotones convencional puede compararse con la entrada de una discoteca con un solo portero. Trata de dejar pasar a los visitantes de uno en uno, pero a veces se cuelan parejas. Los físicos llaman a esto el problema de la pureza: los fotones deben ir estrictamente uno tras otro, de lo contrario los cálculos cuánticos fallan.

Un detector común de fotometría no distingue un fotón izquierdo de uno derecho. Pero en cuanto empieza a moverse, todo cambia. Un barquero rema entre dos flautistas que tocan la misma nota. Su oído está ajustado estrictamente a ella y es sordo a todas las demás alturas. Debido al movimiento, la melodía delante se vuelve más aguda y la de detrás más grave.

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?

Las redes cuánticas necesitan un intermediario entre el almacenamiento — el espín — y el portador — la luz. Ninguna molécula individual había logrado esa tarea. Pero ahora los físicos han encontrado una solución. Colocaron una molécula de carbeno en un cristal y lo enfriaron a -269 °C.

El chip de vidrio con 128 guías de ondas funciona como una máquina de pinball cuántico. En lugar de bolas — fotones, en lugar de flippers — microcalentadores que cambian las rutas sobre la marcha. La tarea es simple: lanzar hasta cuatro partículas idénticas y ver dónde terminan.

Una pelota grande y pegajosa, si la arrojas sobre un estante polvoriento, rebotará y levantará polvo, pero si la haces rodar despacio, recogerá cada mota de suciedad. Así se comportan los excitones de Rydberg, unos 'átomos' gigantes dentro del cristal, llamados así en honor a Johannes Rydberg.

Un pluviómetro común recoge el agua en un cubo y muestra el volumen total de precipitación. Pero el nuevo dispositivo es como una palma sensible que percibe cada gota que cae y las cuenta, incluso cuando son varios miles. Precisamente eso es lo que han construido los físicos.

Dos músicos en habitaciones diferentes tocan la misma nota. El sonido debe ser tan idéntico que el oyente no pueda distinguir quién toca. En el mundo cuántico, el papel de esos músicos lo desempeñan las fuentes de fotones individuales: partículas de luz que deben ser indistinguibles entre sí.

Una computadora cuántica de átomos neutros se parece a una biblioteca donde los libros no solo hay que leerlos, sino también devolverlos rápido al estante. La lectura lenta del resultado es como un bibliotecario lento que retrasa a toda la cola. Los científicos encontraron una forma de acelerar este proceso añadiendo ayudantes.

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.

Un guardia debe revisar cinco habitaciones, pero no puede entrar. Llama a la puerta y escucha: el silencio indica que hay alguien dentro, mientras que el eco revela que la habitación está vacía.

La luz que emite un átomo no es solo un destello: lleva la huella del estado en que se encontraba el átomo en el momento de la emisión. Los físicos tomaron un qubit superconductor —un átomo artificial del tamaño de un microchip— y lo hicieron brillar en una guía de ondas abierta, como una bombilla en un pasillo largo.

La luz en la fibra óptica es un flujo de fotones, y para la comunicación cuántica se necesitan fotones individuales que puedan enviarse uno a uno. Pero lograr que salgan rápidamente y además sean indistinguibles entre sí es una tarea difícil.

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.

La clave secreta en la comunicación cuántica se transmite mediante fotones individuales. Es imposible espiar ese canal: cualquier intento de interceptación destruye la partícula y deja rastro. Pero la idea tiene un punto débil: el hardware real, que a veces se comporta de manera distinta a lo que dicta la teoría.

Lanzar una moneda parece aleatorio, pero en realidad todo lo decide la física: la fuerza del lanzamiento, la resistencia del aire, la elasticidad de la superficie. Si se conocen todos los detalles, el resultado se puede predecir. La verdadera aleatoriedad vive más profundo, en el mundo cuántico.

La punta de un microscopio de efecto túnel se acerca tanto a la superficie de un cristal que entre ambos salta una corriente eléctrica. Los electrones de la aguja se inyectan en un semiconductor estratificado y caen en una vacante atómica: un lugar donde falta un átomo en la red.

Dentro del cristal de nitruro de boro a veces aparecen defectos: lugares donde los átomos están desplazados o no ocupan su posición correcta. Uno de estos defectos, el centro B, es capaz de emitir luz: absorbe energía y la libera en forma de un único fotón. Es como una bombilla diminuta que solo se enciende cuando se le pide y no emite luz de más.

Las tecnologías cuánticas suelen usar la luz, no como una simple bombilla, sino como portadora de información. Una forma de hacerlo es codificar los datos en la frecuencia: cada 'color' del fotón puede ser una celda de memoria independiente. El problema es que trabajar con estos estados de color requiere un laboratorio entero: fuente de fotones, filtros, moduladores, detectores.

Un punto cuántico del tamaño de unos pocos miles de átomos parpadea como una bombilla defectuosa: a veces brilla intensamente, a veces casi se apaga. Antes se pensaba que en los momentos oscuros emitía no solo fotones individuales, sino también pares extra, lo cual es un defecto para la comunicación cuántica.

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.

En un campo enorme de luciérnagas que destellan de a una y no en enjambre, busca el nuevo sistema automático. Pasa el láser por la muestra como si fuera una linterna y en cada punto anota el color y el brillo del resplandor.

Un pulso láser incide en una diminuta cavidad de cristal transparente. En su interior, la luz rebota entre espejos y, a veces, un fotón se divide en un par: uno vuela hacia un lado y el otro hacia el otro. Uno de ellos se convierte en la señal, y el segundo actúa como un 'timbre' que avisa: el fotón individual está listo.

Un ion individual de calcio flota en una trampa de vacío, sostenido por campos eléctricos, como un guisante en un cuenco invisible. A su alrededor hay dos espejos que forman una cavidad óptica: la luz rebota entre ellos, intensificando la interacción con el ion.

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.

La luz, independientemente de su fuente, está compuesta por fotones, partículas elementales y cuantos del campo electromagnético. Un detector de luz simple, como un medidor de iluminancia fotométrica, funciona en modo binario: solo registra si los fotones inciden o no, dando una respuesta de «sí/no».

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.

Un pulso de luz se puede dividir en ventanas temporales cortas, como un tren en vagones. Si dos fotones nacen juntos y sus vagones están rígidamente conectados —la llegada de uno a una ventana determinada garantiza que el otro llegó a la ventana pareja—, a esa conexión se le llama entrelazamiento temporal.

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.

La luz de una misma fuente puede "encontrarse" consigo misma, y entonces en la pantalla aparecen franjas, como las ondas que se forman al lanzar dos piedras al agua. Los físicos llevan tiempo logrando esto con dos fotones, pero conseguir que cuatro partículas de luz se fusionen a la vez era difícil: las fuentes de fotones individuales perdían demasiadas partículas en el camino.

Normalmente, para entender el estado cuántico de la luz, hay que realizar decenas de mediciones complejas, como si tuvieras que probar todas las llaves de un llavero. El nuevo modelo de IA funciona de manera diferente: es una llave universal que, tras un ligero ajuste, abre muchas «cerraduras» —estados simples y los más ingeniosos—.