sistemas de átomos de Rydberg

Los sistemas cuánticos de muchas partículas son la base de las futuras computadoras y redes seguras. Pero cuantas más partículas, más difícil es entender cómo están organizados: el número de estados posibles crece en avalancha. El método habitual, medir todo de manera exhaustiva, requiere una cantidad de tiempo increíble.

Un ordenador cuántico no es solo un conjunto de cúbits, sino toda una ciudad donde cada habitante es uno de los posibles estados de la máquina completa. Los habitantes se conocen entre sí a través de las interacciones débiles entre los cúbits: si un estado puede transformarse en otro, se establece un hilo de conocimiento entre ellos.

Un cristal de óxido de cobre parece una piedrecita de color rojo oscuro. Pero basta con que incida en él un pulso láser corto para que en su interior nazcan pares: un electrón y un «hueco», el lugar donde falta un electrón.

Un receptor de radio del tamaño de la palma de la mano puede medir la potencia de la señal con más precisión que los costosos bancos de laboratorio. En su interior no hay bobinas ni antenas, solo una cabeza de vidrio y una nube de átomos de rubidio enfriados casi hasta el cero absoluto.

En una sala ruidosa, un intérprete intenta captar cada palabra, pero los murmullos y el eco distorsionan el sentido. Algo parecido ocurre cuando los métodos informáticos convencionales calculan sistemas cuánticos complejos: cuantas más partículas y más fuertes sean sus interacciones, más rápido se ahogan los cálculos entre interferencias.

Una red eléctrica repleta de electrónica de potencia se parece a una orquesta enorme sin director. Cada convertidor, cada línea aporta su nota, y a veces los instrumentos empiezan a sonar a destiempo. Surgen resonancias —oscilaciones invisibles de corriente y voltaje que pueden descontrolarse y tumbar el sistema.

Los patrones muaré son familiares para todos. Dos peines con distinto paso, superpuestos, muestran franjas oscuras. Algo similar surgió en el tiempo. Los físicos tomaron una nube de átomos de Rydberg —partículas con órbitas electrónicas excepcionalmente grandes— y la iluminaron con dos láseres.

Dos bailarines en el escenario deben moverse con una sincronización impecable, pero basta con que uno se retrase para que todo el número se eche a perder. Así funcionan aproximadamente los ordenadores cuánticos de átomos neutros: se entrelazan dos átomos llevándolos al estado de Rydberg (enorme, como un globo comparado con un átomo normal) y se espera a que 'bailen' su parte.

El espacio vacío no está tan vacío como parece. Según la teoría cuántica, el vacío está lleno de partículas que continuamente se crean y se destruyen.

Una nube de átomos enfriada casi hasta el cero absoluto de repente empieza a comportarse como un cerebro. Un átomo excitado dispara una reacción en cadena: los vecinos se "encienden" a continuación y una avalancha de actividad recorre el gas. Los físicos lo llaman facilitación de Rydberg: los átomos se excitan más fácilmente si cerca ya hay uno excitado.

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.

En el corazón de una futura computadora cuántica podría encontrarse una diminuta molécula orgánica con forma de triángulo. Tiene dos electrones 'extra' que no encuentran pareja. Estas moléculas se llaman diradicales, y sus electrones pueden almacenar información de una manera especial, cuántica.

El tunelamiento cuántico — la capacidad de las partículas de atravesar barreras prohibidas por la física clásica — alimenta las estrellas con fusión termonuclear, enciende la nucleosíntesis primordial y nos da la memoria flash.

Una red de diminutos imanes busca el estado de menor energía total: así se ve aproximadamente el problema del Max Cut cuántico, uno de los más difíciles en física. Su solución se busca desde los tiempos de Werner Heisenberg.

El mundo cuántico está lleno de transformaciones. A veces un sistema formado por unas partículas empieza a comportarse como si hubieran aparecido otras muy distintas.

Una batería de litio se parece a una pequeña ciudad: los iones de litio son los habitantes que se mudan entre los barrios-electrodos, generando corriente.

La transferencia de energía en la fotosíntesis se parece a un tobogán: se hunde bajo el peso de uno, cambiando el camino para el siguiente. Así sucede en la hoja: el estado excitado de una molécula reconfigura instantáneamente el «paisaje» de las vecinas. Los físicos reproducen este efecto con iones suspendidos en una cámara trampa al vacío.

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.

Cuatro pequeños charcos, y en ellos chapotean gotas de un líquido superfluido. Estas gotas son átomos enfriados casi hasta el cero absoluto y unidos en pares, como pequeños imanes. Cuando toda la estructura gira, el líquido fluye entre los charcos. Basta con contar cuántas gotas hay en cada uno para conocer el ángulo y la velocidad de rotación.

Una piscina enorme llena de agua. En una esquina ocurre una reacción química que necesita calcularse con precisión de joyero. Pero el agua alrededor no es solo decoración: sus moléculas se empujan, se atraen e influyen en la reacción. ¿Cómo tener en cuenta este baile interminable de partículas sin ahogarse en cálculos?

Si lanzas un puñado de monedas a una caja con compartimentos, cada una caerá en su casillero y permanecerá allí para siempre. Más o menos así se comportan los átomos en una red óptica especial cuando se excitan con un láser. Estos átomos se llaman de Rydberg: uno de sus electrones se desplaza a una órbita muy lejana, y el átomo se vuelve sensible a sus vecinos.

Una pelota grande y pegajosa, si la arrojas sobre un estante polvoriento, rebotará y levantará polvo, pero si la haces rodar despacio, recogerá cada mota de suciedad. Así se comportan los excitones de Rydberg, unos 'átomos' gigantes dentro del cristal, llamados así en honor a Johannes Rydberg.

Una orquesta donde cada músico toca su parte y el director intenta captar la melodía general. Así es como los físicos observan los electrones en los cupratos, materiales cerámicos que conducen la corriente sin resistencia a temperaturas superiores a las del nitrógeno líquido.

El láser se sintoniza a una frecuencia a la que un átomo de rubidio normalmente no se excita. Pero si cerca ya hay un átomo excitado, este altera los niveles de energía del vecino, y el vecino comienza a absorber luz. Así, el par de átomos actúa como un enlace: uno ayuda al otro a encenderse.

Una orquesta donde cada músico toca su parte y el director los guía a todos a la vez. En una computadora cuántica de átomos neutros, el papel del director lo desempeña un rayo láser que debe dar en el blanco sin desviarse ni una fracción de segundo.

Un conjunto de antenas convencional se parece a un coro: muchas voces cantan al unísono y el sonido se amplifica solo en una dirección. Para captar la señal desde otro lado, hay que reorganizar todo el coro. Ahora imagina que una sola voz pudiera cambiar su timbre de modo que el sonido se concentrara por sí solo en la dirección deseada.

Una cuchara cae en una taza de café caliente y se forman ondas en la superficie. Se puede ver qué tan rápido se aleja la perturbación del punto de impacto. En el mundo cuántico, los físicos buscan ondas similares en el agua: cómo se propaga la información a lo largo de una cadena de átomos.

Los monopolos magnéticos son como mitades de un imán que no pueden existir por separado en un material ordinario. Pero en el hielo de espín aparecen en pares, unidos por un hilo invisible: la cuerda de Dirac.

Un columpio triangular nunca se calma: uno de los tres átomos siempre está en el aire. Así es un imán frustrado: una danza eterna sin reposo. Para estudiarlo, los físicos construyeron un simulador cuántico de 256 átomos que reproduce fielmente el cristal TmMgGaO₄.

Un cubito de hielo en el té se derrite sin dejar rastro. Así, los sistemas cuánticos normalmente olvidan rápido su pasado. Pero con un desorden fuerte aparece la localización de muchos cuerpos: las partículas como que se congelan, preservando la memoria. El experimento en un procesador IBM de 144 cúbits duró 5000 ciclos.

Forzaron a una nube de átomos de cesio a comportarse como una sola cuerda cuántica. Al iluminarla con un láser y dejar que las partículas interactuaran, los científicos pusieron en marcha oscilaciones autosostenidas: el ritmo surgió sin un director externo. Las ondas de radio actuaron como los trastes en un mástil: se podía cambiar suavemente la frecuencia del sonido.

Una olla de agua en el fuego es solo agua, pero dentro de cada molécula hay un baile continuo. Los átomos de hidrógeno y oxígeno vibran, incluso en el cero absoluto, porque así es el mundo cuántico. Estas vibraciones cambian cuánto calor almacena el agua y cómo fluye.

Los físicos tomaron 114 átomos de rubidio, los enfriaron a temperaturas cercanas al cero absoluto (como en los experimentos con helio líquido helio) y los colocaron cuidadosamente en un patrón de panal de abejas.

La luz que un átomo emite o absorbe es como una huella dactilar: cada elemento tiene su propio patrón de líneas. En el ion de iterbio (un átomo que ha perdido un electrón) se han encontrado tres nuevas líneas que antes no se utilizaban. Estas líneas son muy estrechas, como rendijas finas en una valla a través de las cuales se ve lejos y con nitidez.

Catorce átomos de rubidio se alinearon como cuentas en un hilo. Cada átomo es un pequeño imán que puede apuntar hacia arriba o hacia abajo. Juntos obedecen reglas estrictas, similares al horario de un tren: todo es predecible, todo se repite. Pero basta con introducir un cambio casi imperceptible para que el horario se descarrile.

Dentro de cada célula ocurren constantemente reacciones químicas, como en una diminuta cocina donde las proteínas, cual chefs, preparan las sustancias necesarias. Pero ver exactamente cómo el chef cocina el plato se ve obstaculizado por la multitud de otras moléculas alrededor.

Una computadora cuántica se parece a una orquesta donde cada músico toca su parte. Con pocos instrumentos, el director puede manejar a cada uno por separado. Pero cuando hay miles de músicos, las órdenes individuales se vuelven inmanejables.

Los físicos construyeron una cadena de átomos de Rydberg: átomos con electrones en órbitas enormes, del tamaño de trayectorias planetarias. Estos átomos gigantes sienten fuertemente a sus vecinos, convirtiendo la cadena en un análogo cuántico de una cuerda.

Una computadora cuántica de iones atrapados hizo las veces de un pequeño universo. En él, las partículas no solo se movían, sino que se tejían en nudos que cambian sus propiedades al intercambiar posiciones. Estos nudos se llaman anyones de Fibonacci: no son partículas ordinarias, sino más bien vórtices en el tejido del espacio.

Dos electrones en un tubo estrecho no quieren estar cerca. Ambos tienen carga negativa y se repelen, como dos imanes con polos iguales enfrentados. Si el tubo es muy delgado, no pueden separarse lateralmente; solo les queda alinearse uno detrás del otro. Los físicos llaman a esto localización de Wigner: las partículas ocupan posiciones fijas, como cuentas en un hilo tenso.