óptica cuántica

La luz que pasa junto a una estructura diminuta cambia de dirección. Si la estructura es más pequeña que la longitud de onda de la luz, actúa como una lente y concentra la luz en un punto más pequeño que la propia onda.

El rayo láser en unas pinzas ópticas no es solo un punto de luz, sino una bolsa de fuerza. Una partícula que cae en él normalmente rueda hacia el punto más brillante, como una canica en un hoyo.

Un láser golpea un átomo y arranca un electrón. Cuanto más brillante es la luz, más fuerte es el empujón y más rápido sale el electrón. Así funciona la imagen habitual, donde la luz es una onda uniforme. Pero, ¿y si la luz no es uniforme, sino 'comprimida', con fluctuaciones cuánticas, como el temblor de una cuerda?

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.

Un haz de luz normalmente viaja en línea recta, pero se puede hacer que gire alrededor de su eje, como el agua que se arremolina al desaguar. Esta luz 'vortical' transporta más información y es necesaria para comunicaciones ultrarrápidas y computación cuántica. El problema es que antes se requerían grandes lentes, espejos y un ajuste preciso: toda una mesa óptica.

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.

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 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.

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.

Una piedra cae en un estanque y se forman círculos en el agua. De manera similar, los cuerpos masivos generan ondas gravitacionales, solo que aquí es el propio espacio el que oscila. Hasta ahora, estas ondas se han detectado con enormes detectores: estos se estremecen ligeramente cuando una onda los atraviesa. ¿Y qué ocurre a nivel microscópico, dentro de un diminuto trozo de materia?

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.

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 una olla con agua hirviendo, las burbujas de vapor aparecen y desaparecen: una lucha similar ocurre en los materiales bidimensionales. Aquí, los electrones simultáneamente crean magnetismo y tratan de apagarlo.

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.

En la pared, franjas claras y oscuras. Así es la luz que se cancela a sí misma. Ya en el siglo XVII, Christiaan Huygens supuso que la luz es una onda. Pero solo los experimentos de Arago y Fresnel a inicios del XIX demostraron que dos haces producen esas franjas únicamente si sus vibraciones están en el mismo plano.

Una piedra lanzada al agua se expande en círculos. Una onda gravitacional es una ondulación similar, pero en el espacio-tiempo. La produce, por ejemplo, la fusión de dos agujeros negros. En la física clásica, esta ondulación es eterna: una vez creada, viaja por el universo sin atenuarse.

La relatividad general, que describe la estructura del universo, no prohíbe los bucles en el tiempo. Pero Stephen Hawking propuso la hipótesis de la 'protección de la cronología': los efectos cuánticos deberían destruir esos bucles, haciendo imposibles los viajes al pasado.

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».

Una marca de agua sutil sobre papel mojado, y un vidrio empañado frente a los ojos. Así se ve aproximadamente la tarea de leer estados cuánticos de la luz: los delicados patrones de fotones se distorsionan por las pérdidas, y los detectores capturan solo una pequeña parte de la señal.

Un reflector te da de lleno en los ojos y, a un par de pasos, parpadea una luciérnaga diminuta. Así se ve la caza de un planeta similar a la Tierra alrededor de una estrella vecina: el planeta es de cien millones a diez mil millones de veces más tenue que su estrella, y en el cielo casi se funden en un solo punto.

La onda luminosa nunca es perfectamente lisa: la agita continuamente un rizado cuántico. Estos tirones casi invisibles fueron estudiados por el premio Nobel Roy Glauber, quien sentó las bases de la óptica cuántica. Ahora los físicos han aprendido a congelar este rizado.

El vacío falso no es simplemente un líquido subenfriado, sino un holograma cuántico listo para cobrar vida con la proyección adecuada.

Un rayo de luz entra en un vidrio esmerilado y se apaga: algo común. Pero los físicos saben desde hace tiempo cómo hacer que la luz lo atraviese sin perder ni un fotón. Ese truco se llama transparencia inducida electromagnéticamente: dos ondas de luz se cancelan mutuamente en el punto adecuado y la absorción desaparece.

La luz fluye como un río invisible. Si colocas un obstáculo en el camino del flujo, el agua se arremolina en remolinos. Así, las superficies especiales crean 'torbellinos' de luz que atrapan nanopartículas como astillas.

El entrelazamiento cuántico a menudo se comporta como una danza sincronizada, visible solo desde un ángulo. Basta cambiar la forma de observar y las partículas parecen desordenadas. Esto limita la comunicación segura. Ahora, físicos han creado un par de fotones cuya 'danza' es impecable desde cualquier perspectiva.

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.

Es muy probable que los ordenadores cuánticos del futuro se comuniquen mediante luz. El átomo almacena la información y el fotón la transporta por la red. Pero el átomo no permanece inmóvil: tiembla, oscila, y ese movimiento puede estropear la señal. Antes, los ingenieros solo sabían calcular el caso de un átomo inmóvil.

Los datos en internet viajan a la velocidad de la luz a través de fibra óptica. En las redes clásicas los retrasos no son críticos, pero para la comunicación cuántica se necesita una sincronización perfecta: las partículas de luz con la información codificada deben coincidir en el detector en un mismo…

La luz o el sonido pueden encerrarse en una región diminuta de un cristal, como una perla en su concha. Normalmente se usan dos métodos. El primero se asemeja a una bola pesada en un hoyo: una partícula con gran masa simplemente no puede rodar hacia afuera. El segundo es una jaula perfecta de espejos, donde las ondas se cancelan mutuamente en todas partes excepto en la propia trampa.

La electrodinámica cuántica, o QED, describe cómo la luz interactúa con partículas cargadas, como los electrones. Es una de las teorías más precisas de la historia: sus predicciones coinciden con el experimento hasta el undécimo decimal.

Un surfista se desliza sobre la superficie del océano hasta que llega una gran ola, y entonces sale disparado hacia adelante. De manera similar, un electrón libre interactúa con la luz: normalmente el intercambio de energía es apenas perceptible, pero si el medio circundante comienza a cambiar rítmicamente, cada cresta de la onda empuja a la partícula con más fuerza.

La luz queda atrapada en una red cristalina, pero no una cualquiera, sino una al revés: como un panal de abejas donde en lugar de cera hay vacío y los bordes están hechos de material. Así es un ópalo inverso: un cristal fotónico tridimensional que no deja pasar la luz de ciertos colores.

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?

Una piedra lanzada vuela en un arco suave: su trayectoria es fácil de predecir. Pero si la piedra rebota en el agua, la trayectoria se vuelve quebrada y mucho más interesante. Algo similar ocurre con las partículas cuánticas cuando su estado no es una onda tranquila con energía fija, sino una mezcla turbulenta de varias ondas a la vez.

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.

Una carga que se mueve con aceleración normalmente emite luz — es un hecho cotidiano. Pero los físicos han descubierto que si la carga se desliza por una trayectoria especial, su radiación se comporta de manera diferente.

Una computadora cuántica se parece a una orquesta: cada músico lleva su parte, pero el más mínimo ruido en la sala puede descomponer al conjunto. Las partículas que almacenan información pierden fácilmente la cohesión por golpes térmicos o campos magnéticos errantes.

A la luz le gusta la simetría: en un canal abierto fluye igual en ambas direcciones. Para dirigirla hacia uno solo, los físicos suelen usar imanes. Un nuevo enfoque prescinde de ellos, empleando la rotación —a la velocidad de un disco de vinilo— y la interferencia de dos átomos.

Un columpio puede balancearse con fuerza o apenas perceptiblemente. Por lo general, si no lo tocas, permanece en el modo elegido. Pero en el micromundo todo es diferente: una membrana diminuta que oscila bajo la acción de un rayo láser puede saltar espontáneamente de una amplitud a otra.

Los físicos propusieron un experimento: el haz láser actúa como detector cuántico y se divide en dos haces-oreja. Cada oreja se dirige a través de una diminuta nube de átomos ultrafríos —en ese estado los átomos se funden en una sola onda.