superposición

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 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.

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?

El viento lleva el polen, y cada grano de polen se mueve como si fuera independiente. Pero cuando el aire se arremolina en un torbellino, las trayectorias del polen ya no se pueden separar: están enredadas.

A bajas temperaturas, muchos materiales se vuelven superconductores: la corriente fluye sin resistencia. Pero, ¿cómo ocurre exactamente si los electrones estaban primero atrapados en un aislante? Hace medio siglo, Philip Anderson sugirió que la respuesta reside en una danza cuántica especial de las partículas.

La unión de Josephson es un puente de superconductor separado por una capa aislante muy delgada. A través de ella fluye corriente incluso sin voltaje. Pero cuando la corriente se vuelve demasiado grande, el puente comienza a oscilar y en la gráfica del voltaje aparecen escalones regulares: los escalones de Shapiro.

Un carrusel no solo te hace girar en círculo: con cada vuelta también se enrosca ligeramente en el suelo. Este movimiento, parecido a un sacacorchos, es la esencia de la carga NUT, una propiedad especial del espacio-tiempo que los físicos estudian desde mediados del siglo pasado.

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.

Durante mucho tiempo, identificar fases cuánticas era como interrogar a un testigo: había que acceder a cada rincón del sistema para arrancarle su secreto. En la época de Landau, el orden se asociaba con la ruptura de simetría y un parámetro local, todo a la vista.

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.

Un traductor que traduce no palabras, sino la propia estructura de la conversación, se enfrenta a dificultades cuando el diálogo sale de una habitación silenciosa. En una simulación habitual sobre una retícula espacial, todo sigue un guion estricto.

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.

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.

Imagina un libro que está siendo copiado simultáneamente por billones de escribas. Mientras la mayoría de ellos consulta el original, la narración sigue teniendo sentido. Pero en cuanto el control se debilita, el texto se llena de erratas, que se multiplican hasta que el manuscrito se convierte en un galimatías.

La electrodinámica cuántica, o QED, describe cómo la luz interactúa con partículas cargadas, como los electrones. Es una de las teorías más precisas de la historia: sus predicciones coinciden con el experimento hasta el undécimo decimal.

En un pasillo largo, una multitud intenta mantenerse alejada unos de otros. En una sala espaciosa simplemente se dispersarían, pero aquí las paredes aprietan tanto que hay que avanzar en fila india, coordinando cada paso. De manera similar se comportan los electrones en capas de grafeno giradas una respecto a la otra por un ángulo diminuto.

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 superconductor es como una autopista perfecta sin semáforos: los electrones se precipitan sin obstáculos. Pero basta con aplicar un voltaje para que el panorama cambie. En un nuevo experimento, los físicos descubrieron que el campo eléctrico penetra en el superconductor y crea en su interior un régimen mixto.

El mundo cuántico está lleno de sorpresas. En el oscilador Kerr paramétrico —un dispositivo donde la luz queda atrapada en un anillo y es excitada por un campo externo—, recientemente se observó algo extraño: los pares de niveles de energía se funden en un abrazo. Los físicos lo han llamado 'beso espectral' espectroscopía.

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.

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.

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.

Los metrónomos que todos conocemos, si se colocan sobre una base móvil, con el tiempo acaban balanceándose al unísono. En el mundo cuántico, este truco fue esquivo durante mucho tiempo.

El mundo cuántico juega un extraño juego con la causalidad. Si en la vida cotidiana siempre se echa sal a la sopa antes de servirla, aquí los ingredientes aparecen en el plato al mismo tiempo y el cocinero no recuerda el orden. Los físicos se preguntaron: ¿se puede medir esta 'receta'? La respuesta es no.

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.

Los físicos propusieron un experimento: el haz láser actúa como detector cuántico y se divide en dos haces-oreja. Cada oreja se dirige a través de una diminuta nube de átomos ultrafríos —en ese estado los átomos se funden en una sola onda.

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.

La luz es un flujo de fotones. En una guía de luz especial, que recuerda a un estrecho pasillo, un átomo «guardián» normalmente los deja pasar uno a uno. Este fenómeno es estudiado por la espectroscopia de partículas individuales.

Una orquesta donde cada músico toca su propia parte y juntos crean una melodía compleja: así se ve una nube de átomos cuyos espines (rotaciones intrínsecas, como diminutas peonzas) oscilan de manera coordinada. Normalmente, estas peonzas se comportan de forma independiente.

En un estadio de fútbol, las emociones de la multitud se componen de las conversaciones de cada aficionado. Si el ánimo pudiera ser alegre y triste a la vez, surgiría una superposición cuántica. Pero el murmullo de miles de voces transforma al instante esa mezcla en un único estado definido.

En una orquesta, un músico toca tan suavemente que su sonido apenas se percibe en el coro general. En el mundo cuántico, estos estados "silenciosos" se denominan oscuros: su energía apenas escapa al exterior, como la luz en una habitación a oscuras. Pero si hay muchos músicos, su influencia mutua puede despertar inesperadamente incluso al más callado.

Una cadena infinita de átomos espaciados uniformemente. Desplaza toda la cadena un paso y la imagen no cambia. Esto es la simetría traslacional: el mundo se ve igual en cualquier dirección. Parecería que una regla tan simple debería generar estados simples, como una red cristalina ensamblada con bloques idénticos. Pero los autores recontaron esos bloques.

Una moneda lanzada con la mano derecha siempre cae cara, y con la izquierda, cruz. Algo parecido le ocurre a la partícula lambda-b: su rotación interna (espín) está inseparablemente ligada a qué partícula D nace en la desintegración. Esta relación es entrelazamiento cuántico, pero no entre dos partículas, sino entre dos propiedades de una misma partícula.

El mundo cuántico no soporta que intenten describirlo con números exactos. Normalmente, los físicos descomponen una interacción compleja en una serie larga, como una suma de correcciones cada vez más pequeñas.