información cuántica

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.

Un agujero negro es un laberinto del que no se puede salir. Pero, ¿qué ocurre con la información en su interior? Para comprobarlo, los físicos no viajaron hasta el agujero más cercano, sino que construyeron una diminuta réplica en un procesador cuántico.

Un haz de luz entra en una cubeta de vidrio con vapor de cesio y modifica el estado interno de los átomos: así se escribe la información. Un instante después, otro haz la lee según cómo los átomos absorben la luz. No es un disco duro, sino más bien un bloc de notas que pasa las páginas solo.

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.

En 1996, los físicos se preguntaron: ¿cuánto ruido puede soportar un canal cuántico antes de dejar de transmitir información? Una conversación telefónica en la que cada tercera palabra se sustituye por ruido aleatorio aún puede entenderse. ¿Hasta qué nivel de interferencia captará el interlocutor el sentido?

Un ordenador cuántico se parece a una orquesta: cada instrumento es un cúbit y el director es el procesador de control. El director no solo debe marcar el tempo, sino también cambiar la partitura a tiempo si un solista toca algo inesperado.

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.

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.

Un destello corto de luz se parece a una frase musical: se pueden distinguir notas individuales si se escucha con mucha atención. Pero en el mundo cuántico, esas "notas" —los modos temporales— están comprimidas a picosegundos, y la óptica convencional apenas las distingue.

Una computadora cuántica se parece a una orquesta donde cada músico —un cúbit— toca su parte, pero de vez en cuando se equivoca. Para que la música no se convierta en cacofonía, se necesita un director que oiga al instante las notas falsas y las corrija.

A veces la lavadora rompe la ropa. Para obtener una camisa entera, lavas varias y luego, con las partes que sobreviven, armas una. De manera similar, la computadora cuántica trata con los 'estados mágicos', unos preparados especiales sin los cuales los cálculos complejos son imposibles. Estos estados son extremadamente frágiles. El más mínimo ruido y la magia se evapora.

Una gota de tinta en un vaso de agua se dispersa en remolinos caprichosos. De igual manera, una partícula cuántica, al intercambiar energía con su entorno, cambia su estado de una manera compleja y enredada. Describir esta danza entre partícula y entorno es una tarea que durante mucho tiempo dejó perplejos a los científicos.

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.

Alicia prepara una partícula cuántica en uno de varios estados y se la envía a Bob. El canal por el que viaja la partícula no es perfecto: introduce ruido, dispersa, interactúa con el entorno. Bob recibe la señal e intenta averiguar qué fue exactamente lo que Alicia envió. Este es el esquema clásico de "preparar, enviar, medir", y siempre existe el riesgo de perder algo.

El mundo cuántico no perdona el olvido. Tira una piedra a un estanque: las ondas se expanden y desaparecen, la información sobre la caída se dispersa sin dejar rastro. En mecánica cuántica es distinto: la evolución del sistema es reversible y el pasado nunca se borra del todo.

En el mundo de las partículas cuánticas hay sus propios «introvertidos»: los anyones. No se parecen a los electrones o protones habituales. Si intercambias de lugar a dos de estos «introvertidos», ellos recuerdan la maniobra, como dejando una huella invisible.

Una computadora cuántica es como un copo de nieve frágil sobre una palma cálida. El más mínimo soplo de calor o una ligera vibración, y se convierte en una gota. Para que el copo sobreviva, se corrige constantemente, restaurando su forma original. Esto es la corrección de errores cuánticos.

Un ordenador cuántico normalmente se parece a una cadena de montaje: las operaciones van una tras otra y cada error se acumula. En el nuevo trabajo, los físicos probaron un camino diferente: una arquitectura donde el cálculo surge del propio proceso de medición. Tomaron 56 iones en una trampa y tejieron con ellos una nube tridimensional de partículas entrelazadas.

Una computadora cuántica es como una orquesta donde cada músico-qubit se desvía fácilmente del ritmo. El más mínimo ruido y la melodía del cálculo se convierte en cacofonía. Para que la orquesta toque en armonía, se necesita un director que detecte al instante las notas falsas y las corrija sin detener la interpretación. Ese es exactamente el papel de los códigos de corrección de errores.

Una computadora cuántica de átomos neutros se parece a una ciudad donde los mensajeros — las pinzas láser — transportan físicamente los paquetes entre direcciones. Mientras un mensajero arrastra un átomo por todo el chip, los demás permanecen ociosos. Es lento y genera errores. La nueva arquitectura reemplaza a los mensajeros por una onda de radio compartida.

Una red eléctrica repleta de electrónica de potencia se parece a una orquesta enorme sin director. Cada convertidor, cada línea aporta su nota, y a veces los instrumentos empiezan a sonar a destiempo. Surgen resonancias —oscilaciones invisibles de corriente y voltaje que pueden descontrolarse y tumbar el sistema.

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.

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.

Cualquier batería, desde la de tipo AA hasta la cuántica, es simple: hay una reserva de energía y una forma de extraerla. En el mundo cuántico, esa 'forma' se ve como una conmutación cuidadosa entre estados de una partícula, similar a mover una canica de un estante alto a uno bajo.

Una computadora cuántica es como una orquesta donde cada músico es un qubit frágil. El más mínimo ruido y la melodía se desafina. Para mantener la armonía, se necesita un director que detecte al instante las notas falsas y devuelva los instrumentos a tono. En el mundo cuántico, a ese director se le llama decodificador.

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.

En el corazón de una futura computadora cuántica podría encontrarse una diminuta molécula orgánica con forma de triángulo. Tiene dos electrones 'extra' que no encuentran pareja. Estas moléculas se llaman diradicales, y sus electrones pueden almacenar información de una manera especial, cuántica.

Una computadora cuántica se parece a una orquesta sin director: cada cúbit es un músico, y el más mínimo fallo arruina toda la sinfonía. Para que la música no se convierta en cacofonía, se inventaron los códigos cuánticos que corrigen errores.

Una computadora cuántica se parece a una orquesta donde cada músico debe entrar exactamente en la nota. Si uno desafina, la melodía se estropea. Los músicos son los cúbits, que almacenan información.

La neurona clásica es un músico de cámara que extrae solo una nota de cada cuerda: toma una suma ponderada de entradas, añade un sesgo y la pasa por una no linealidad.

Una computadora cuántica se parece a un instrumento musical caprichoso: el más mínimo cambio de temperatura, humedad o afinación de las cuerdas hace que la melodía suene distinta.

Un taller metalúrgico atestado de chatarra de aluminio se asemeja a una orquesta desafinada antes del concierto: cada instrumento desafina a su manera.

La búsqueda de aniones no abelianos es una cacería de un fantasma cuántico que deja solo una pista: la entropía. Estas partículas habitan en sistemas bidimensionales a temperaturas ultrafrías. Su intercambio no solo cambia el signo de la función de onda, sino que entrelaza estados, creando un orden topológico.

Crear un nodo de una red cuántica es como enseñar a un bailarín a equilibrarse sobre un hilo de carbono suspendido sobre un abismo. Un pie debe despegarse con facilidad, lanzando fotones mensajeros al mundo exterior. El otro debe aferrarse con firmeza a la cuerda, guardando la preciosa información cuántica.

La computación cuántica sufre de «notas falsas» —errores que surgen ante la menor imprecisión. Ahora se eliminan con la meticulosidad de la afinación de un piano de concierto. La idea se remonta a los sueños de los pioneros —David Deutsch y Peter Shor— de operaciones perfectas.

Un contrato financiero complejo se asemeja a una apuesta: el pago depende del tipo de cambio y los intereses acumulados. Los físicos llamarían a esta incertidumbre entropía: una medida de la dispersión de los posibles resultados.

En lo profundo de un cristal de diamante, salpicado de centros NV, dormita una sinfonía. Cada defecto es como un diapasón, listo para resonar con una onda acústica que pasa. Pero por separado, sus voces son apenas audibles: la interacción entre el espín y el fonón es más débil que un susurro.

Hace tiempo, Richard Feynman vio en los sistemas cuánticos un desafío para los ordenadores clásicos. Ahora nos enfrentamos a la tarea inversa: entender qué es exactamente lo que ha simulado un procesador cuántico. Entre los estados que genera hay auténticas «cajas negras»: las fases topológicas de la materia.