tiempo de vida del qubit

Un intérprete en una sala abarrotada intenta distinguir el discurso de una persona, pero escucha el murmullo de cientos de voces. Una molécula que almacena información cuántica en su espín se encuentra en una situación similar: su espín está rodeado por el temblor térmico de los átomos, y es precisamente ese temblor el que borra gradualmente la memoria.

Un ordenador cuántico se parece a una orquesta: cada instrumento es un cúbit y el director es el procesador de control. El director no solo debe marcar el tempo, sino también cambiar la partitura a tiempo si un solista toca algo inesperado.

A veces, una taza de café caliente se congela más rápido que el agua fría del grifo. Esta paradoja, conocida como efecto Mpemba, durante mucho tiempo se consideró una curiosidad de la física clásica. Ahora, su análogo cuántico ha ayudado a probar y ajustar procesadores cuánticos, dispositivos que algún día podrían ser la base de computadoras ultrapotentes.

Un qubit superconductor es como un instrumento musical caprichoso: hasta que no lo afinas, no esperes una nota limpia. Pero incluso después de afinarlo, el sonido se desvía. Los culpables son diminutos defectos en el material que los físicos llaman sistemas de dos niveles. Son como grietas invisibles que aparecen y desaparecen, alterando el ritmo del procesador.

Una orquesta de miles de millones de átomos de cesio tocó una sola nota, y sonó durante 17 horas sin apagarse. No es hipérbole: físicos chinos crearon un cristal temporal continuo con un tiempo de vida récord. Un cristal temporal es un sistema que rompe la simetría temporal y pulsa espontáneamente con un ritmo inmutable.

El vacío cuántico no es un vacío muerto, sino un caldero hirviente de probabilidades. En algunas teorías, nuestro universo está congelado en un estado metaestable: como agua sobrecalentada, lista para explotar en vapor con un solo empujón.

El corazón no late como un metrónomo: su ritmo baila al compás de la hora del día. Cada uno de nosotros tiene su momento en que el pulso alcanza su punto más alto. Ese pico es como la manecilla del reloj interno, y varía de una persona a otra. Pero, ¿qué mueve esa manecilla? Los investigadores dieron a los participantes relojes inteligentes y los siguieron durante casi un mes.

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.

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 computadora cuántica mide la energía de una molécula más o menos como una cinta métrica vieja que solo tiene marcas cada metro. Si la longitud real de la mesa es de 2,37 metros, la cinta mostrará «dos y algo», y no se puede ser más preciso. Los físicos llaman a esto resolución: el paso de la rejilla, más fino que el cual no se puede saltar.

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.

Si llevas una taza de café por la habitación de forma lenta y suave, y luego vuelves al mismo lugar, a la bebida no le pasa nada. Pero en el mundo cuántico es diferente: una partícula que completa un círculo similar no regresa exactamente igual. Adquiere un 'extra' esquivo: la fase geométrica, que los físicos llaman fase de Berry.

Un péndulo ordinario oscila con la misma frecuencia con la que se le empuja. Pero en el mundo cuántico se puede crear un sistema que responda al empuje dos, tres o más veces más lento, como si tuviera su propio ritmo. Estos sistemas se denominan cristales de tiempo discretos.

Una batería cuántica no es una caja con química, sino una cadena de pequeños imanes (espines) capaz de almacenar energía. Su truco principal: cargar muchas partículas a la vez, aprovechando su entrelazamiento cuántico. Pero hay un inconveniente: no cualquier entrelazamiento sirve.

Un macaco rhesus de ocho kilogramos llega a vivir cuarenta años. Un gato del mismo peso rara vez celebra su vigésimo cumpleaños. La diferencia no es casual: en todos los primates, desde los diminutos titíes hasta los gorilas, la esperanza de vida es notablemente mayor que en otros mamíferos de igual masa corporal.

Los qubits en una computadora cuántica superconductora son como cuerdas muy tensas. Cuando una partícula del espacio o de la desintegración de un elemento radiactivo pasa volando, golpea esas cuerdas y estas comienzan a vibrar. Esa vibración rompe los frágiles estados cuánticos y los cálculos se descarrilan.

Un reloj atómico es un péndulo que late a la frecuencia de la luz. Dentro de una trampa, un ion de aluminio está suspendido, y un láser lo sondea como un diapasón. Si la frecuencia del láser coincide con la frecuencia propia del átomo, este responde. Esa respuesta es la que se usa para calibrar el reloj.

Dos coches idénticos salen de la misma cadena de montaje. Carrocería, ruedas, volante: todo coincide. Solo que uno lleva un motor de gasolina normal y el otro uno híbrido que se puede ajustar a la carretera. Y el híbrido se cala a los pocos kilómetros, mientras que el de gasolina recorre decenas.

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 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.

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.

El punto brillante en la cámara de vacío no se apaga, aunque hace tiempo que dejaron de iluminarlo. Un ion de iterbio atrapado por campos eléctricos se ha quedado en un estado excitado, como si el electrón en su interior hubiera olvidado cómo volver a su lugar habitual.

Un procesador cuántico se parece a una orquesta, donde cada músico (cúbit) debe tocar su parte con precisión rítmica. Pero en la realidad los instrumentos se desafinan: los cúbits pierden energía y sus interacciones se distorsionan.

Una batería cuántica es un dispositivo que almacena energía en los estados cuánticos de las partículas. En el nuevo estudio, la batería se modeló con un par de cúbits, los portadores de información más pequeños, capaces de estar en el estado «cero», «uno» o en una mezcla de ambos.

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.

Un reloj de pared normal avanza de manera continua, pero un reloj cuántico es otra cosa. Hace tictac en momentos aleatorios y cada tictac puede durar un intervalo distinto. En promedio, si se observa durante mucho tiempo, marcará la hora correcta. Pero en cada instante concreto su manecilla puede saltar hacia adelante una cantidad inesperada.

El agua caliente a veces se congela más rápido que la fría: eso es el efecto Mpemba. En el mundo cuántico, todo es aún más sorprendente: un sistema que hierve en desorden (con alta entropía) puede calmarse incomparablemente más rápido que uno casi tranquilo.

Todo tiende al equilibrio: el té se enfría, el péndulo se aquieta. La medida de este movimiento es la entropía, el desorden creciente. Pero a veces el agua caliente se congela antes que la tibia. El efecto Mpemba no es solo una curiosidad: también se manifiesta en el mundo cuántico.

Convertir CO₂ en combustible es como encontrar la única manera correcta de empacar miles de millones de cosas en una maleta. Una computadora normal prueba opciones una por una, tardando décadas, mientras que una cuántica es como si viera todas las combinaciones a la vez.

La tarea se asemeja a un laberinto gigante con una sola salida entre miles de millones de callejones sin salida. Una computadora común revisa cada pasillo paso a paso, lo que llevaría siglos. El procesador cuántico lanza una onda que se filtra simultáneamente por todos los caminos. La ruta correcta resuena como un eco, amplificándose, y la respuesta se encuentra en horas.

Un sistema cuántico, una vez que nace, no lo olvida. Incluso después de decenas de tiempos de vida, en su decaimiento queda una huella del estado inicial: una cola potencial que decrece lentamente. Para dos colorantes fluorescentes, eritrosina B y eosina Y, esta cola se ha logrado observar por primera vez en dos canales espectrales a la vez.

Un diapasón tallado en un metal perfecto vibra en una única frecuencia. Su sonido es puro, como una fórmula matemática. Pero si lo sujetas con un tornillo de banco o lo sumerges en un líquido viscoso, el tono se vuelve borroso, se llena de ruidos y pierde nitidez. Algo parecido le ocurre al núcleo de escandio-45 cuando se coloca en una red cristalina.

Imagine a un cantante intentando fundir su voz con un coro. Si los coristas cantan al unísono, la voz del solista destaca durante mucho tiempo; pero si el coro se dispersa en un amplio rango — desde graves profundos hasta sopranos vibrantes — el solista se disuelve casi al instante. En la física cuántica, el papel de ese coro lo desempeña un baño térmico — un entorno masivo.

Golpea un gong y el sonido se desvanecerá en capas: el zumbido grave persiste más tiempo, los sobretonos agudos desaparecen primero, dejando tras de sí el silencio. Así, un cúbit, al vivir su vida cuántica, deja no uno, sino tres ecos de su propio pasado.

Una transferencia bancaria no llega de inmediato, sino tras un plazo fijado, y el saldo en la cuenta del receptor resulta mayor que el efectivo depositado por el remitente. Algo así hace el nuevo protocolo, llamado teleportación cuántica temporal de energía (TQET).