número cuántico

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.

La carga eléctrica es algo escurridizo. Se puede medir cuánta hay en todo el universo o en una partícula concreta, pero intentar señalar con el dedo: «Aquí, en este centímetro cúbico, justo ahora hay tanta carga» choca contra un muro fundamental. El problema es que la carga total, que los físicos denotan con la letra Q, es algo no local.

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 núcleo atómico no es solo una bolita de protones y neutrones. Tiene forma, y esa forma puede cambiar. Durante mucho tiempo se consideró que el núcleo de estaño-116 era casi una esfera perfecta: tiene 50 protones, un número «mágico» que normalmente otorga simetría esférica al núcleo. Pero una nueva medición de ultra precisión mostró otra cosa.

El mundo cuántico de muchos cuerpos es como un conjunto de jazz, donde cada electrón improvisa escuchando continuamente a los demás, y la función de onda global nace de este diálogo intenso.

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 donde cada músico debe tocar su parte sin equivocarse. Los músicos son los cúbits, portadores de información cuántica. Para que la orquesta suene armoniosa, se necesitan cúbits fiables, controlables y no demasiado sensibles al ruido.

Echas un puñado de fósforo en silicio y, a cierta concentración de impurezas, el material de repente empieza a conducir la corriente. Esta es la transición de fase metal-aislante, y ocurre de manera abrupta. Pero, ¿qué cambia exactamente en las funciones de onda de los electrones cuando un aislante se convierte en metal?

Los libros de texto dividen las partículas en dos bandos: a los bosones les encanta amontonarse en un mismo estado, mientras que los fermiones se niegan rotundamente. Pero la naturaleza admite una tercera opción. Los anyones son cuasipartículas cuyo comportamiento se sitúa en algún punto intermedio.

Una olla de agua siempre hierve igual: a cien grados, y salen burbujas. Con los líquidos cuánticos es distinto. Cuando una nube de átomos se enfría casi hasta el cero absoluto, puede convertirse en una única onda de materia: el condensado de Bose-Einstein.

Una partícula cuántica, al recorrer un anillo cerrado, deja dos «registros» diferentes en su camino. El primero es como una huella dactilar en la manija de una puerta: permanece inalterada por más que gires la manija, y solo habla de la forma y el material.

En un sistema de fontanería, a veces el agua no fluye como un chorro continuo, sino en porciones idénticas y separadas, como si el grifo se abriera y cerrara dejando pasar exactamente una gota cada vez. Algo parecido le ocurre a la corriente eléctrica en los contactos superconductores llamados uniones de Josephson.

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.

Una moneda lanzada con la mano derecha siempre cae cara, y con la izquierda, cruz. Algo parecido le ocurre a la partícula lambda-b: su rotación interna (espín) está inseparablemente ligada a qué partícula D nace en la desintegración. Esta relación es entrelazamiento cuántico, pero no entre dos partículas, sino entre dos propiedades de una misma partícula.

Un péndulo oscila no en un plano, sino en cinco dimensiones a la vez. Su movimiento se describe con un modelo matemático complejo, y él mismo es un electrón en una lámina de grafeno que interactúa con cinco 'variedades' diferentes del entorno.

La computadora cuántica promete resolver problemas que la clásica no puede. Pero, ¿dónde está la frontera? Los autores del nuevo trabajo se toparon con un caso sorprendente: los electrones agrupados en pares se comportan como una orquesta disciplinada. Incluso si se añade un poco de «magia» —un recurso cuántico especial—, su comportamiento sigue siendo predecible.

En el mundo de los superconductores, a los electrones no les gusta la soledad. Normalmente se unen en pares, los pares de Cooper, y se mueven sin resistencia, como patinadores que se toman de las manos. Pero se les puede hacer bailar de a cuatro.

Imagina un mapa urbano: las intersecciones son los nodos, las calles las conexiones. Para que un algoritmo entienda la estructura, cada nodo necesita una etiqueta. El enfoque clásico — el modelo estándar — asigna etiquetas simples, como números de casa.

Un trompo que gira sobre una superficie perfecta se cae ante la más mínima vibración. Así le ocurre al bit cuántico, creado a partir de un defecto en el diamante: su estado lo destruyen el desorden magnético de las impurezas y las perturbaciones externas.

Un sensor moderno en un hospital se parece a un micrófono sensible en una sala ruidosa. Capta la débil señal del corazón o del cerebro, pero junto con ella, el zumbido de los aparatos, los pasos, la respiración de los vecinos. Separar el sonido deseado de las interferencias es toda una ciencia.

Dos puntos cuánticos son como dos diminutos bolsillos en un trozo de silicio, donde un electrón puede sentarse como una canica en un hoyo. Cuando los bolsillos están lejos uno del otro, cada electrón vive por su cuenta y su energía se asemeja a los niveles de un átomo aislado.

Un electrón en un átomo es como una nota en una cuerda: tiene un conjunto de energías permitidas, y la tarea del físico es encontrar esas notas. Normalmente, para ello se divide el espacio alrededor del núcleo en pequeños trozos y se calcula cómo se comporta el electrón en cada uno. Cuanto más pequeños son los trozos, más preciso es el resultado.

La molécula de agua se parece a una diminuta mancuerna: dos átomos de hidrógeno se unen a un átomo de oxígeno formando un ángulo. Esa mancuerna no se queda quieta: se estira, se comprime y rota. Cada uno de esos movimientos tiene su propia energía, como los peldaños de una escalera.

Al mundo cuántico no le gusta que lo miren con desdén. Para extraer de un átomo o un fotón toda la información disponible, se necesita un abanico completo de «agujas» — diferentes maneras de hacer una pregunta. Los físicos llaman a ese abanico un conjunto completo de mediciones.

Un chip de silicio del tamaño de una uña alberga miles de millones de diminutos interruptores. Pero para un ordenador cuántico no se necesitan interruptores, sino electrones individuales atrapados en hoyos microscópicos. Estos hoyos son puntos cuánticos. Y aquí está el problema: dos hoyos vecinos que parecen idénticos pueden retener el electrón de manera distinta.

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.

En dos salas de espejos perpendiculares entre sí vive una nube de átomos. Cada átomo es como un cantante en un coro: por sí solo puede permanecer en silencio, pero cuando los vecinos comienzan a cantar, él se une.

Un punto cuántico es una caja tan pequeña que el electrón en su interior no puede tener cualquier energía, sino solo valores estrictamente determinados, como los escalones de una escalera. En cada escalón caben varios electrones, pero cuántos exactamente es la cuestión. Si el escalón es doble, caben dos; si es sencillo, solo uno.

Un qubit es como un inquilino en un diminuto apartamento: normalmente ocupa la planta baja para no distraerse con los vecinos de arriba. En los puntos cuánticos de germanio, donde viven los qubits de espín, ese inquilino es un hueco, es decir, un lugar sin electrón. El hueco tiene un espín que funciona como una diminuta aguja magnética.

En un fino sándwich de arseniuro de galio, los electrones no se comportan como bolitas individuales, sino como un único líquido cuántico. Si la capa se hace de solo 70 nanómetros de espesor, este líquido se separa en dos flujos casi independientes, como el aceite sobre el agua.

Una computadora cuántica se parece a una orquesta donde los electrones y los núcleos tocan instrumentos diferentes. Normalmente, el director necesita dos batutas: microondas para los electrones y ondas de radio para los núcleos.

Sobre la mesa de los físicos hay una plaquita más pequeña que una hoja de papel. Dentro tiene un cristal que sabe girar un rayo de luz, como un espejito en la mano. Pero este cristal no se mueve: cambia la dirección del rayo cuando se hace pasar sonido a través de él. La onda sonora recorre el cristal y lo comprime ligeramente: el rayo se desvía, como un chorro de agua al chocar con un timón.

Estamos acostumbrados a pensar que los eventos tienen causas, que los objetos existen por sí mismos y que las señales no pueden superar la velocidad de la luz.

Un motor común quema combustible y pierde montones de energía en forma de calor: lo dictan las leyes de la termodinámica. Un motor cuántico actúa de manera diferente: su combustible no es el calor, sino un ritmo perfecto. Los físicos llaman a esa ritmicidad coherencia cuántica.

Los físicos crearon un análogo cuántico de un instrumento musical. Sus «notas» — los niveles de energía permitidos — reproducen exactamente los primeros números del conjunto que gobierna la distribución de los primos. Estos números son las partes imaginarias de los ceros de la famosa función zeta de Riemann, un objeto matemático indisolublemente ligado a los números primos.

Hace cien años, la mecánica cuántica regaló al mundo una imagen ordenada: la rotación de una partícula alrededor de un punto solo es posible con ciertas porciones de momento angular, números enteros multiplicados por la constante de Planck. Esta regla parecía tan inquebrantable como la ley de la gravedad y se deducía de simples consideraciones algebraicas.

Hace cien años, la mecánica cuántica regaló al mundo una imagen ordenada: la rotación de una partícula alrededor de un punto solo es posible con ciertas porciones de momento angular, números enteros multiplicados por la constante de Planck. Esta regla parecía tan inquebrantable como la ley de la gravedad y se deducía de simples consideraciones algebraicas.

Un estado cuántico bajo medición continua no es una imagen congelada, sino un baile aleatorio. Cada resultado de medición desplaza ligeramente el estado hacia un lado u otro, y para predecir el futuro hay que seguir toda la trayectoria.

En 1946, Felix Bloch predijo que, incluso sin campo magnético externo, en un conjunto de espines existe un momento magnético fluctuante. Crece como la raíz cuadrada del número de partículas, y en muestras pequeñas este ruido puede superar la polarización térmica.