entrelazamiento cuántico

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.

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.

Un puñado de monedas cae sobre la mesa: cara y cruz se colocan al azar. Así se ve una instantánea de una cadena cuántica: en algunos lugares hay partícula, en otros no. Pero detrás del desorden se esconde un ángulo estricto. En el trabajo tomaron una cadena de partículas cerrada en un anillo. La dividieron en cuatro arcos: dos se midieron, dos se dejaron intactos.

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.

Un rompecabezas enorme, donde cada pieza es una partícula cuántica. Para armar la imagen, no basta con unir las piezas, sino que hay que entrelazarlas de una manera especial. Normalmente, esto se hace aplicando operaciones una tras otra con cuidado, como si estuvieras armando un rompecabezas siguiendo estrictamente las instrucciones, fila por fila.

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.

Dos piedrecitas caen al agua a cierta distancia. Las ondas que generan corren una hacia la otra y en algunos lugares se cancelan: el agua queda lisa, aunque cada piedra por separado habría creado ondas. Algo parecido hace un par de fotones (partículas de luz) nacidos en el mismo cristal y que vuelan en direcciones opuestas.

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?

A veces, el agua caliente se congela más rápido que la tibia; este hecho extraño se conoce como efecto Mpemba. Ahora, algo similar se ha encontrado en el mundo cuántico: un estado con entrelazamiento débil (un vínculo cuántico especial entre partículas) puede adelantar a uno más entrelazado en el camino hacia la meta.

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.

Una cámara observa dos chispas lejanas. Están tan cerca una de la otra que se funden en una mancha borrosa. Parece imposible distinguirlas por separado: se ha superado el límite clásico de la microscopía óptica. Pero la mecánica cuántica sugiere que el campo de luz aún guarda el secreto de dónde se encuentra cada chispa.

En una fila apretada de átomos, separados por distancias menores que la longitud de onda de la luz, se esconde un estado asombroso. La excitación se reparte entre todas las partículas de tal manera que su radiación se anula a sí misma.

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.

Un servicio postal donde los mensajeros de repente dejan de moverse. Parecería que las cartas dejarían de llegar y la comunicación entre ciudades se interrumpiría. Pero ¿y si los propios sobres adquirieran la capacidad de cambiar de forma y transmitir mensajes a través de una red común sin moverse del sitio?

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.

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.

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.

En el silencio del mundo cuántico no hay vacío. Las partículas están entrelazadas por hilos invisibles: el entrelazamiento. Los autores del trabajo propusieron que el propio tejido del espacio-tiempo está urdido con esos hilos.

El intérprete se distrae con cada susurro en la sala, y la reunión de una hora se convierte en dos. Algo parecido ha ocurrido durante años con los científicos que buscaban estados especiales en diminutas cadenas eléctricas: miraban la corriente total, pero no notaban cómo la señal estaba contaminada por el ruido.

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.

El agua se convierte en hielo a cero grados: de golpe, sin estados intermedios. Algo parecido ocurre con la complejidad cuando tomamos un estado cuántico aleatorio de un sistema completo y miramos solo una parte. Mientras esa parte ocupa menos de la mitad del sistema, su complejidad crece suavemente. Pero en cuanto la proporción supera el 50%, se produce un salto.

La gravedad en nuestro mundo es el espacio-tiempo curvado. Así la describe la teoría de la relatividad general de Einstein. Pero, ¿qué ocurre con la gravedad a nivel de átomos y partículas, donde reina la mecánica cuántica? Esta pregunta lleva casi un siglo sin respuesta.

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.

Un globo se infla y los puntos de su superficie se separan unos de otros. Más o menos así se expande nuestro universo. El modelo matemático de este proceso se llama espacio de Sitter: en él los científicos estudian cómo se comportan los diminutos «ladrillos» de la materia, las partículas elementales.

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.

Dos fotones se encuentran en un espejo semitransparente. Si llegan exactamente al mismo tiempo, siempre salen juntos, codo con codo, como gemelos que no quieren separarse. Este efecto, descubierto en 1987, se convirtió en la base de una regla cuántica para medir diminutos retrasos.

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.

Durante mucho tiempo, identificar fases cuánticas era como interrogar a un testigo: había que acceder a cada rincón del sistema para arrancarle su secreto. En la época de Landau, el orden se asociaba con la ruptura de simetría y un parámetro local, todo a la vista.

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.

El mundo cuántico a menudo se compara con un instrumento musical. Cada sistema, ya sea un átomo o una cadena de partículas, suena en sus propias frecuencias, que los físicos llaman niveles de energía. En los sistemas caóticos, como en una orquesta sin director, estas frecuencias suelen llenar todo el rango disponible sin huecos.

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.

En el mundo de los materiales bidimensionales a veces nacen estados tan inusuales como frágiles. Uno de ellos — el cristal anómalo fraccionario de Hall (FAHC) — es como un centauro cuántico: mitad red ordenada, mitad líquido topológico.

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.