modelos de tipo cuántico

Bailarines en un escenario con paredes móviles: las partículas en un sistema cuántico finito chocan entre sí y rebotan en los bordes, pero las paredes pueden moverse según un guion predeterminado. Durante mucho tiempo, los físicos solo sabían describir estas danzas con paredes fijas o en un salón infinito. Ahora ha surgido una manera de tener en cuenta tanto el movimiento de las paredes como los rebotes en ellas.

Un intérprete en una sala abarrotada intenta distinguir el discurso de una persona, pero escucha el murmullo de cientos de voces. Una molécula que almacena información cuántica en su espín se encuentra en una situación similar: su espín está rodeado por el temblor térmico de los átomos, y es precisamente ese temblor el que borra gradualmente la memoria.

Un pulso láser incide en una nube de gas y arranca electrones de ella, dejando tras de sí una burbuja: una cavidad donde apenas hay partículas. Esa burbuja viaja a través del plasma a una velocidad cercana a la de la luz, y sus paredes arrastran a los electrones que quedaron dentro, como una lancha rápida arrastra a un esquiador acuático.

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 fluido rodea un obstáculo, genera vórtices y ondas de choque. Describir su comportamiento significa resolver una ecuación no lineal en la que la velocidad del flujo depende de sí misma.

Las computadoras cuánticas cometen errores. Cada qubit es como una canica en la punta de un lápiz: si la mano tiembla un poco, se cae. Para que las canicas no caigan, se necesita alguien que note el temblor y corrija a tiempo.

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.

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.

Una tubería de agua: cuanto más ancha es, más agua deja pasar. En los contactos superconductores —las uniones de Josephson (puentes por los que la corriente fluye sin resistencia)— suele ocurrir lo mismo: cuanto mejor conduce el material en estado normal, mayor es la corriente superconductora que lo atraviesa.

Una piedra lanzada contra una pared rebota. En el mundo cuántico, una partícula puede atravesarla como si la pared estuviera tejida de niebla. Eso es el efecto túnel cuántico: enciende las estrellas, funciona en los microchips e incluso en las células de nuestro cuerpo.

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.

En el mundo cuántico, las partículas se dividen en dos bandos irreconciliables: los bosones aman reunirse en un mismo estado (como la luz en un láser), mientras que los fermiones son individualistas y nunca ocupan el mismo lugar. Parecería que una sola red neuronal no puede aprender ambos caracteres a la vez.

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.

El cristal PbCuTe₂O₆ se asemeja a una telaraña tridimensional de cobre, telurio y oxígeno. En su interior, los momentos magnéticos (pequeñas flechas asociadas a los espines de los electrones) están entrelazados de tal manera que no pueden alinearse en un orden convencional ni siquiera cerca del cero absoluto.

El mundo cuántico nunca se queda quieto. Incluso en el resonador más perfecto, una trampa para partículas de luz, la energía se escapa gradualmente y la información se borra. Los físicos llaman a este proceso amortiguamiento, y tiene su propio ritmo: algunas "notas" se apagan rápido, otras se alargan.

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.

En el mundo cuántico reina un ajetreo constante. Las partículas intercambian energía, se entrelazan y se influyen mutuamente. Parecería que cuantos más participantes hay en este juego, más difícil es predecir el resultado. Pero a veces, del caos nace el orden. Los físicos han mirado dentro del modelo SYK, un campo de pruebas matemático para estudiar el caos cuántico.

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 fina hebra de plata, casi tan larga como el grosor de un cabello, y en ella habitan leyes cuánticas puras. Los físicos construyeron un conductor donde los electrones solo pueden moverse hacia adelante o hacia atrás, como en una carretera perfectamente recta de un solo carril y sin arcenes.

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.

El cerebro no solo reacciona al mundo: constantemente está adivinando qué ocurrirá en el instante siguiente. Este principio se conoce como codificación predictiva: las neuronas comparan las expectativas con la realidad y actualizan su imagen interna cuando ocurre un error.

En una sala ruidosa, un intérprete intenta captar cada palabra, pero los murmullos y el eco distorsionan el sentido. Algo parecido ocurre cuando los métodos informáticos convencionales calculan sistemas cuánticos complejos: cuantas más partículas y más fuertes sean sus interacciones, más rápido se ahogan los cálculos entre interferencias.

Predecir el rendimiento de una reacción química es como intentar adivinar la cosecha conociendo solo la composición del suelo. Tradicionalmente, los químicos se apoyaban en largas columnas de números —los descriptores cuánticos— que describen la energía de los electrones, pero no dicen nada sobre la forma de la molécula.

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 molécula polar se parece a una pesa diminuta con cargas distintas en sus extremos. Normalmente, estas partículas se pegan o se separan rápidamente al encontrarse: las fuerzas eléctricas son demasiado fuertes. Pero los autores del trabajo encontraron la manera de convertir esa agresividad en un juego controlable.

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.

Un cristal de color verde pálido se colocó en un campo magnético y se enfrió por debajo de un kelvin, casi hasta el cero absoluto. En su interior se esconden cadenas de átomos de cobre que se comportan como diminutas agujas magnéticas.

El mundo cuántico es astuto: a veces, las partículas confinadas en una capa plana y atravesadas por un campo magnético intenso comienzan a comportarse como un líquido compuesto no por electrones enteros, sino por fracciones de ellos: cargas fraccionarias. Esto es el efecto Hall cuántico fraccionario.

Una trampa de luz mantiene a un átomo casi inmóvil, como una bolita sobre un resorte suave. Pero en cuanto aparece una aceleración, por ejemplo la gravedad, el equilibrio se desplaza. El átomo se mueve dentro de la onda de luz estacionaria, y esto cambia el ritmo al que intercambia energía con el campo.

El universo primigenio crecía a una velocidad vertiginosa: en fracciones de segundo se infló hasta alcanzar dimensiones gigantescas. Los físicos describen ese arranque con una sola magnitud: el exponente en una fórmula parecida a la pendiente de una colina. Cuanto más empinada es la colina, más rápido rueda la canica, es decir, más veloz era la expansión del espacio.

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 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.

Si aceleramos a un observador hasta velocidades cercanas a la de la luz, el vacío que lo rodea deja de ser frío. Aparece un resplandor térmico: un efecto predicho en 1976 y bautizado en honor a William Unruh. Para aceleraciones terrestres, este resplandor es increíblemente débil, como un susurro en un concierto de rock.

Una nube de átomos enfriada casi hasta el cero absoluto de repente empieza a comportarse como un cerebro. Un átomo excitado dispara una reacción en cadena: los vecinos se "encienden" a continuación y una avalancha de actividad recorre el gas. Los físicos lo llaman facilitación de Rydberg: los átomos se excitan más fácilmente si cerca ya hay uno excitado.

El cerebro de quien medita es una orquesta, y la atención es el director. Cuando te concentras en la respiración, todos los instrumentos tocan en armonía. Pero de repente, un pensamiento-violonchelo da una nota falsa: eso es la divagación mental. El director experimentado no entra en pánico: capta al instante la disonancia y devuelve suavemente a la orquesta a la melodía principal: la respiración.