decoherencia de qubits

El oleaje llega a la orilla no con un frente uniforme, sino con lenguas de espuma que unas veces se funden y otras se separan. Los campos magnéticos dentro de los materiales se comportan de forma parecida: respiran en forma de ondas y, hasta ahora, nadie las había visto en su totalidad.

Tres voces que se funden en un solo acorde. En la física de materiales cuánticos, esta imagen cobra un sentido literal: tres capas de grafeno, separadas por finos espaciadores, hacen que electrones y huecos de distintas capas se muevan como un único líquido.

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.

A veces, el agua caliente se congela más rápido que la tibia; este hecho extraño se conoce como efecto Mpemba. Ahora, algo similar se ha encontrado en el mundo cuántico: un estado con entrelazamiento débil (un vínculo cuántico especial entre partículas) puede adelantar a uno más entrelazado en el camino hacia la meta.

Una computadora cuántica es como un copo de nieve frágil sobre una palma cálida. El más mínimo soplo de calor o una ligera vibración, y se convierte en una gota. Para que el copo sobreviva, se corrige constantemente, restaurando su forma original. Esto es la corrección de errores cuánticos.

Un diminuto defecto en el cristal de diamante es como un micrófono sensible que capta los campos magnéticos más sutiles. Así funcionan los sensores basados en centros de nitrógeno-vacante (cuando un átomo de nitrógeno y una vacante vecina forman un sistema cuántico).

El vacío cuántico no está vacío: está atravesado por entrelazamiento que conecta regiones distantes. Pero cuando los físicos intentaron calcular este entrelazamiento, resultaba infinito. La causa son partículas de energía muy baja que pueden extenderse por un volumen arbitrariamente grande. Son como olas a las que no se les han puesto orillas.

En los albores de los tiempos, el universo experimentó un breve instante de expansión frenética: la inflación. Las diminutas vibraciones cuánticas del espacio-tiempo se estiraron hasta escalas cósmicas.

El horizonte cosmológico —el borde del universo observable, que se expande aceleradamente— es como una caja fuerte con temporizador. La información sobre lo que cruza esta frontera no desaparece, sino que regresa, pero con retraso. Los físicos han averiguado cuánto dura esa pausa.

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.

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.

En el microcosmos, el ruido —las fluctuaciones aleatorias— suele destruir los frágiles estados cuánticos, igual que las ondas en el agua rompen el reflejo en un charco. Sin embargo, en algunos sistemas, el ruido colectivo y coordinado de muchas partículas produce el efecto contrario: surge un flujo unidireccional estable.

La inflación es la expansión vertiginosa del Universo recién nacido, cuando las fluctuaciones cuánticas se estiraron hasta escalas cósmicas. La radiación cósmica de fondo — luz fosilizada de aquella época, sombras en la pared de nuestra caverna cósmica.

Los neutrinos son verdaderos fantasmas del microcosmos. Casi sin masa y sin carga, atraviesan los planetas como si fueran vacío. Pero dentro de cada neutrino no se esconde una partícula, sino tres: tres 'sabores' (electrónico, muónico y tau) que fluyen constantemente uno en otro. Esta danza se llama oscilación.

El núcleo atómico se parece a un autobús lleno de gente. Para liberar espacio, un grupo de dos protones y dos neutrones —el núcleo de helio, la partícula alfa— sale por la puerta delantera: es la desintegración alfa, descrita por George Gamow como un túnel bajo la barrera de energía.

El agua común agua se congela como se espera. Pero a veces, la caliente se convierte en hielo más rápido que la fría: el efecto Mpemba. Recientemente, se encontró una violación similar de las reglas en el entrelazamiento cuántico, esa conexión invisible entre partículas descubierta por Erwin Schrödinger.

Una partícula cuántica puede estar en dos estados a la vez — como una moneda girando, cara y cruz. Cerca de un agujero negro, el horizonte de sucesos — donde la curvatura del espacio-tiempo deforma el espacio y el tiempo al extremo — actúa como una puerta de un solo sentido.

Los bits cuánticos (cúbits) son como música frágil en un taller ruidoso. Los campos magnéticos del entorno «silencian» constantemente su estado cuántico, convirtiendo una señal ordenada en cacofonía.

Las baterías cuánticas aprovechan los efectos cuánticos para superar las limitaciones de los dispositivos convencionales ligadas a la entropía, medida del desorden y las pérdidas de energía. Es como un balde bajo un chorro potente: se llena rápido. Pero el balde está agujereado: el entorno succiona la energía constantemente.

Un remolino de café puede abarcar dos puntos en una taza: una mancha borrosa de líquido arremolinado. Las partículas cuánticas se comportan de manera similar: un remolino espaciotemporal donde existen en dos lugares a la vez. Pero la gravedad actúa como la cuchara que remueve el tejido del espacio y el tiempo.

Dos buzones en extremos opuestos de la ciudad. Metes una carta en uno y, al instante, aparece una idéntica en el otro. Así funciona, más o menos, el entrelazamiento cuántico: dos partículas se comportan como una sola entidad, incluso si las separas a gran distancia.

El mundo cuántico se parece a una orquesta donde cada músico —una partícula— toca su parte, y juntos crean una sinfonía armoniosa. Pero basta con que aparezca ruido en la sala —chasquidos aleatorios e interferencias— para que la melodía empiece a desafinarse.

Dos péndulos sobre una mesa estable oscilan de forma independiente. Si se colocan sobre una superficie inestable, las vibraciones sincronizan el movimiento. El mismo principio funcionó en un chip de silicio con fotones. Los científicos crearon dos fuentes de luz que emiten pares de partículas.

Los ordenadores cuánticos prometen resolver problemas que los convencionales no pueden abordar. Pero sus componentes, los bits cuánticos, son muy sensibles. Una variante de estos bits es el circuito oscilante, que puede estar en dos estados, como un péndulo que se balancea a la izquierda o a la derecha. Estos estados son los que almacenan la información.

La luz que emite un átomo no es solo un destello: lleva la huella del estado en que se encontraba el átomo en el momento de la emisión. Los físicos tomaron un qubit superconductor —un átomo artificial del tamaño de un microchip— y lo hicieron brillar en una guía de ondas abierta, como una bombilla en un pasillo largo.

Un punto cuántico del tamaño de un virus, aprisionado entre espejos, con un destello breve de luz engendra dos fotones. Estos fotones salen en pareja y sus polarizaciones —las direcciones de oscilación de las ondas— están ligadas de tal modo que, si conoces una, al instante sabes la otra.

Un bit cuántico común se destruye con la más mínima perturbación: calor, campo magnético. Los físicos hicieron trabajar un par de átomos para que el desorden no borrara la información. Esta se codificaba no en cada átomo, sino en la diferencia de sus estados, como la tensión de una cuerda entre dos boyas.

Los físicos han encontrado leyes exactas que rigen cómo el entrelazamiento cuántico se mezcla en sistemas caóticos. En un modelo con empujones rítmicos — como un cocinero amasando masa —, estudiaron el crecimiento de la entropía de entrelazamiento, una medida del desorden cuántico.

Normalmente, la corriente eléctrica es igual en ambas direcciones, como el agua en una tubería recta. Pero en la frontera entre un metal normal y un superconductor, esta regla se rompe. Dos ondas en el agua, al rodear un obstáculo ancho por lados opuestos, pueden llegar con diferente retraso y encontrarse «desfasadas».

En la teoría cuántica, una partícula puede correr por dos caminos a la vez. Al medirla, la encontramos solo en uno. Según Niels Bohr, todas las demás posibilidades desaparecen instantáneamente, como una rama desprendida del tronco.

Una computadora cuántica es como una orquesta, donde cada cúbit es un músico que toca su parte. Pero de vez en cuando irrumpe un rayo cósmico en la sala, y el violinista se sobresalta y pierde el ritmo. Estas partículas del espacio profundo atraviesan el chip, expulsan electrones extra y estropean la frágil música cuántica.

El té caliente generalmente se enfría más tiempo que el tibio, pero el agua a veces rompe esta regla: ya en los años 60, el estudiante Erasto Mpemba notó que el helado caliente se congela más rápido que el frío. Esta paradoja migró también al mundo cuántico: un grupo de partículas puede calmarse antes si inicialmente estaba más excitado.

Los físicos tomaron 28 peonzas cuánticas — partículas con giro propio — y en una computadora cuántica de Richard Feynman ejecutaron un proceso cíclico predicho por Werner Heisenberg hace casi un siglo. Al principio, cada peonza giraba al azar.

En el mundo cuántico no se puede crear una copia de un estado desconocido de una partícula; esto fue establecido por William Wootters y Wojciech Zurek en 1982, y Charles Bennett convirtió esta prohibición en una herramienta de protección de datos.

El cúbit, la unidad de cálculo de un ordenador cuántico, vive fracciones de milisegundo y luego olvida su estado. Una de las causas es un contacto diminuto en su interior: dos capas de aluminio con una capa de óxido de aluminio de un par de nanómetros de espesor entre ellas.

La información cuántica es frágil: el más mínimo ruido puede destruirla. Por eso se han ideado dos métodos de protección. El primero es el desacoplamiento dinámico: se aplican pulsos rápidos a los qubits que promedian el ruido hasta anularlo. Es como agitar una caja con objetos frágiles para que no golpeen las paredes.

La luz solar es un torrente impetuoso que lleva pares inseparables de gotas. Así se ve el entrelazamiento cuántico: dos partículas están tan unidas que la vibración de una resuena instantáneamente en la otra. Antes, para crear estos pares se necesitaba un «remanso tranquilo»: un rayo láser perfectamente ajustado.

En el Gran Colisionador de Hadrones, acelerando partículas a velocidades cercanas a la luz, se producen quarks top, los ladrillos más pesados del modelo estándar. Viven fracciones insignificantes de segundo, pero alcanzan a manifestar complejos vínculos cuánticos.

En los circuitos superconductores con los que se construyen las computadoras cuánticas, de vez en cuando nacen partículas extra: las cuasipartículas. Son como transeúntes aleatorios que irrumpen en el trabajo del procesador y estropean los cálculos.

La agua tranquila de un lago: la más mínima ondulación desdibuja la profundidad. De igual manera, en los sensores cuánticos, el ruido —vibraciones aleatorias— genera entropía (desorden) y mata la precisión. Los físicos encontraron una salida: enredar el orden de los eventos.