estabilidad térmica cuántica

En los primeros instantes después del Big Bang, el universo parecía un caldero hirviendo. En él, según una hipótesis, pudo nacer la materia oscura: la sustancia invisible que mantiene a las galaxias unidas.

Un terrón de azúcar arrojado al té se disuelve y pronto todo el líquido queda igualmente dulce. Este camino hacia el equilibrio es tan familiar que parece obvio.

En el agua hirviendo agua se puede ver un prototipo del truco cuántico: si parte del líquido se convierte en burbujas de vapor de larga vida, la masa principal se enfría.

El foco está en un agujero negro, pero no uno cualquiera. Lleva un monopolo magnético y está rodeado por un dilatón: un campo que desdibuja los límites habituales del espacio. Los autores comprobaron cuán estable es este sistema frente a sacudidas térmicas.

Una película delgada de óxido de itrio, bario y cobre se calienta bajo un flujo de rayos infrarrojos y, de repente, deja de disipar energía. Esto es la superconductividad: los electrones se unen en pares y se mueven como un enjambre cuántico único.

La llama de una vela tiembla con la corriente de aire, pero no se apaga: la lengüeta solo cambia de forma por un instante y vuelve. Más o menos así se comportan los skyrmiones ópticos — diminutos vórtices en el campo del haz, que recuerdan a remolinos de agua. Hasta hace poco, solo se obtenían en luz láser ideal y uniforme.

Una trampa magnética con forma de rosquilla confina un plasma de boro e hidrógeno. En su interior, la temperatura supera los cien millones de grados, más que en el centro del Sol. Con ese calor, los núcleos chocan y se fusionan, liberando energía.

La superconductividad es la capacidad de un material para conducir electricidad sin pérdidas. Los cables normales se calientan y parte de la energía se convierte en calor, mientras que un superconductor deja pasar la corriente sin resistencia.

Los materiales cuánticos son como flores caprichosas: solo florecen con el frío. A temperatura ambiente esconden sus propiedades inusuales, pero cuando se enfrían intensamente se vuelven superconductores o cambian su comportamiento magnético. Para entender cómo funcionan, hay que examinar sus átomos en ese mismo frío donde viven esas propiedades.

El agua en una cacerola no hierve al calentarse, sino que se convierte en hielo. Algo así ocurre con los átomos ultrafríos en una red óptica: una rejilla cristalina de luz que mantiene a los átomos en su lugar. Los científicos simularon este sistema en una computadora para entender cómo cambia el orden al aumentar la temperatura.

Un hilo delgado de cristal α-Bi₄Br₄, una mezcla de bismuto y bromo, conduce la corriente no como un cable común. En su interior, la electricidad se mueve solo por los bordes, como agua por un canal sin tocar el fondo ni las paredes. Este comportamiento se llama aislamiento topológico: el interior no conduce, pero por la superficie o los bordes los electrones se deslizan sin pérdidas.

Un ordenador cuántico es como una orquesta en la que cada músico debe tocar con una precisión de una milmillonésima de segundo. Si un instrumento se desafina, toda la sinfonía se derrumba. Por eso, los científicos observaron durante un año entero 27 qubits, las celdas más simples de memoria cuántica.

El campo magnético nos rodea por todas partes: desde la brújula del teléfono hasta el escáner de resonancia magnética del hospital. Para medirlo con gran precisión se necesitan materiales especiales que reaccionen ante los mínimos cambios del campo.

Los dispositivos cuánticos suelen mantenerse en criostatos, grandes termos donde la temperatura es más baja que en el espacio exterior. Un ion de erbio atrapado en una diminuta trampa sobre un chip de silicio rompe esta tradición.

Toda máquina, ya sea el motor de un coche o un diminuto nanorefrigerador, funciona con temblores. El combustible no se quema de manera uniforme, los electrones atraviesan los contactos sin seguir un horario, y la aguja de potencia en los instrumentos vibra ligeramente. Estas vibraciones se denominan fluctuaciones.

Los ordenadores cuánticos utilizan estados GKP, ideados por Alexei Kitaev, John Preskill y Daniel Gottesman. Su particularidad son las verificaciones-estabilizadores incorporadas que detectan errores. Durante mucho tiempo se creyó que una verificación exitosa garantizaba un estado casi perfecto. Por desgracia, es una ilusión.

Las fases topológicas suelen esconderse en criostatos. Los circuitos superconductores, los átomos ultrafríos, los pulsos láser: todos protegen el orden cuántico del ruido térmico.

El entrelazamiento cuántico es un recurso frágil. Calienta el sistema y las fluctuaciones térmicas romperán los finos hilos de las correlaciones: a una temperatura suficientemente alta, aunque finita, el estado de Gibbs de un hamiltoniano local se vuelve separable, es decir, representable como una mezcla probabilística de productos de estados locales.