superposición cuántica

En una habitación tranquila, sin un solo imán, dos electrones en una trampa de silicio siguen sintiendo un leve temblor. Lo crean los núcleos de los átomos de silicio y germanio, que giran caóticamente como las agujas de brújulas rotas. Antes se consideraba ese temblor una molestia, pero ahora se ha convertido en un instrumento de medición.

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.

En una sala con mil espectadores, los aplausos se funden en un rumor general, pero basta con que alguien se salga del ritmo para que un escalofrío recorra la sala. El mundo cuántico funciona de manera parecida: los átomos en una trampa pueden comportarse como un todo único o desmoronarse en individuos independientes.

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.

Un gas superfluido es como una multitud que marcha al unísono: cada átomo sabe hacia dónde moverse y no se desvía del ritmo común. Pero esta multitud tiene tres «valles»: tres direcciones diferentes por las que puede avanzar.

La mecánica cuántica permite que una partícula esté en dos lugares a la vez: esto se llama superposición. Pero los cuerpos masivos, como una mota de polvo o una bolita, no se comportan así: su posición siempre está definida. ¿Por qué?

Dos cuerpos masivos, suspendidos en una superposición cuántica, recuerdan a una pareja de bailarines que intenta mantener un ritmo común mientras a su alrededor una orquesta hace ruido. Cada onda gravitacional es como un músico que los saca del compás.

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 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.

El mundo cuántico ama el equilibrio. Cuando se obliga a una partícula masiva a bifurcarse —a ir por dos caminos a la vez—, algo debe balancearse en respuesta. Ese "algo" resulta ser el propio aparato que dividió a la partícula.

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.

En los cristales, nos fascina el orden espacial perfecto: los átomos quietos en los nodos de la red, como cuentas en un hilo invisible. Pero, ¿y si esa misma simetría se manifestara en el tiempo? Los cristales temporales son sistemas que, sin ayuda externa, comienzan a repetir sus estados cíclicamente, como relojes a los que da cuerda la propia naturaleza.

Dos rayos de luz se encuentran en un punto y continúan divergiendo. Sus trayectorias forman dos superficies que se cruzan en el espacio-tiempo: las hipersuperficies nulas (las fronteras a lo largo de las cuales se propaga la luz). Es precisamente sobre este par de superficies donde los físicos saben cómo imponer los datos iniciales para las ecuaciones de Einstein.

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.

Los cúbits superconductores son el corazón palpitante de las computadoras cuánticas, pero su ritmo se ve perturbado por la decoherencia: la cuanticidad se disuelve en el ruido.

Desde hace casi cuarenta años, la superconductividad de alta temperatura en los cupratos sigue siendo uno de los enigmas más profundos de la física de la materia condensada.

En la imagen heisenbergiana habitual, a bajas temperaturas los espines deben ordenarse en un patrón estricto. Pero hay cristales — por ejemplo, el pirocloro — donde la geometría impone su ley.

El campo magnético mantiene una partícula diminuta en el aire, como un compañero de baile invisible. Un ajuste especial del campo crea una trampa con dos «posiciones». En el mundo ordinario, el bailarín ocupa solo una, pero en el cuántico, ambas a la vez. Los físicos han logrado esto para motas de polvo que pesan billonésimas de gramo.

Otoño de 1956. Kurt Gödel escribe en una hoja de papel una pregunta dirigida al moribundo John von Neumann: ¿se puede comprobar la satisfacibilidad de una fórmula booleana más rápido que por fuerza bruta? La respuesta llegará 69 años después, y resultará ser la mordedura del uróboros lógico, la serpiente mítica que se devora la cola. La serpiente nace del azar.

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.

El grafeno — un cristal bidimensional de carbono — ha tentado a los físicos durante mucho tiempo con la esperanza de una superconductividad a alta temperatura.

Cuando un electrón y su antipartícula —el positrón, predicho por Dirac— se encuentran, forman fugazmente un positronio: un minúsculo par que orbita uno alrededor del otro, como en un átomo pero sin núcleo. Casi de inmediato se desintegra, emitiendo dos fotones que quedan misteriosamente vinculados.

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.

Un nanocable superconductor topológico es como un puente, en cuyos extremos vigilan dos guardianes inseparables, los modos de Majorana. Estas exóticas cuasipartículas, predichas ya en los años 1930, prometen ser la base de un ordenador cuántico inmune a errores.

Los primeros instantes de la vida del universo recuerdan a la afinación de un instrumento musical complejo. Las fluctuaciones cuánticas, estiradas por la rápida expansión (inflación), se convirtieron en esas "notas" de las que más tarde surgieron las galaxias.

Un ordenador cuántico se parece a una orquesta, donde cada músico —un cubit— debe tocar su parte con precisión y a tiempo. Normalmente, los músicos se sientan en lugares fijos y se conectan mediante atriles y cables. Pero, ¿y si se les permitiera moverse libremente por el escenario y el movimiento mismo se convirtiera en parte de la música?

Dos gemelos entran en una habitación por puertas distintas. Cada uno recibe una caja con un botón, y cada vez que pulsan el botón, se enciende una luz roja o verde. Si los gemelos son absolutamente idénticos, cabría esperar que sus luces se enciendan según las mismas reglas internas.

Un cálculo cuántico a veces se parece a un intérprete que se distrae con cada crujido en la sala, y una reunión de una hora se convierte en dos. En física, ese «crujido» se llama problema del signo: surge cuando las probabilidades en las fórmulas se vuelven negativas o complejas, y las simulaciones informáticas habituales empiezan a fallar.

Tres bailarines se mueven como un solo ente: cada uno siente a los demás, y la armonía global no se reduce a las interacciones individuales. Así se comportan aproximadamente tres partículas creadas en el choque de un electrón y un positrón a la velocidad de la luz. Son el quark top, su antipartícula y el bosón Z.

Dos dados yacen en habitaciones diferentes. Si entre ellos hay «entrelazamiento», lanzar uno determina instantáneamente el resultado del otro, incluso a distancia. En el mundo cuántico, esta conexión se llama dirección (steering): un lado, al realizar mediciones en su propio sistema, parece dictar el estado a su compañero.

El gato cuántico es un estado de luz propuesto por Schrödinger: los fotones se comportan como una moneda giratoria, mostrando cara y cruz a la vez. Los físicos crearon tal 'moneda' de 120 fotones, moviéndose a la velocidad de la luz en una trampa de luz.

Un imán ordinario se parece a una brújula: la aguja apunta al norte. Pero una brújula cuántica puede mirar en ambas direcciones a la vez. Si un imán que flota en el vacío se hace girar con cuidado, sus 'trompos' electrónicos se sincronizan de tal modo que todo el trozo de metal empieza a vivir bajo las leyes del micromundo: se congela en una superposición, como un indicador…

Una partícula puede estar en dos lugares al mismo tiempo: eso es la superposición. Pero cualquier interacción, como un grito, «colapsa» instantáneamente esta incertidumbre. Durante mucho tiempo se creyó que incluso la gravedad podía interferir.

Cada partícula cuántica tiene espín — una propiedad magnética interna, como una diminuta flecha. En el experimento, un haz de tales partículas, al pasar por un imán, se divide en dos partes — como una moneda que sale cara o cruz. Así se comportan partículas como el átomo de hidrógeno.

Imagina una biblioteca donde, en lugar de libros, hay todas las combinaciones concebibles de unas decenas de partículas cuánticas. El número de estas combinaciones crece como una bola de nieve: añade una partícula y el volumen se duplica. Para cincuenta partículas, hay más estantes que átomos en el universo visible.

Si se acelera una de cuatro partículas entrelazadas hasta una velocidad enorme, su entrelazamiento cuántico no simplemente se desvanece: primero se debilita y luego se fortalece de nuevo.

Un superconductor conduce la corriente sin resistencia, como agua que fluye por una tubería sin fricción. El secreto está en los pares de electrones: dos electrones se unen como una sola entidad, aunque normalmente se repelen. En un superconductor ordinario, los espines de los electrones en un par apuntan en direcciones opuestas: es el estado singlete.