red tensorial

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.

Una gota de tinta en un vaso de agua se dispersa en remolinos caprichosos. De igual manera, una partícula cuántica, al intercambiar energía con su entorno, cambia su estado de una manera compleja y enredada. Describir esta danza entre partícula y entorno es una tarea que durante mucho tiempo dejó perplejos a los científicos.

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.

El agua en el grifo hierve rápido, pero en el último instante antes del punto de ebullición todo parece congelarse: las burbujas se demoran, la temperatura se queda quieta. Así ocurre en los sistemas cuánticos: cuando un material se acerca a un punto crítico, su reloj interno se estira hasta el infinito.

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.

En la física cuántica hay teorías donde todo obedece a proporciones claras, como un ritmo musical que siempre vuelve al inicio del compás. Pero también existen teorías 'irracionales', donde el ritmo se rompe y predecir el siguiente golpe es casi imposible. Una de ellas es la teoría del bosón compactificado: la partícula vive en una circunferencia y su comportamiento depende del radio de esa circunferencia.

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.

Una piedra lanzada vuela en un arco suave: su trayectoria es fácil de predecir. Pero si la piedra rebota en el agua, la trayectoria se vuelve quebrada y mucho más interesante. Algo similar ocurre con las partículas cuánticas cuando su estado no es una onda tranquila con energía fija, sino una mezcla turbulenta de varias ondas a la vez.

Una trampa invisible de luz láser retuvo 11 mil átomos: un récord para la ingeniería cuántica. Antes los físicos se las arreglaban con decenas de estas partículas; ahora la cuenta llegó a miles. Cada átomo se convierte en un cúbit —un bit cuántico, a la vez cero y uno, como una moneda girando sobre su canto.

Los neutrinos son partículas casi escurridizas que atraviesan todo a su alrededor. En una nube densa, por ejemplo, durante la explosión de una estrella, comienzan a cambiar colectivamente su tipo, o «sabor». Este proceso se parece a cómo en una multitud las personas cambian sincronizadamente el color de su ropa, pero no todas a la vez, sino en oleadas.

Una piedra cae en un estanque y por el agua se expanden círculos. Rebotan en la orilla, se superponen, se apagan. Todo ese movimiento se despliega en el espacio. Pero, ¿qué ocurriría si el propio estanque cambiara por un instante su profundidad o densidad, no en un punto, sino en todas partes a la vez?

Una computadora normal hace circular electricidad por pistas de cobre, y cada acción es una cola: primero una cosa, luego otra. La luz sabe hacerlo de otra manera. En un solo haz se pueden mezclar decenas de señales sin que se estorben, como voces distintas en un coro que suenan a la vez pero cada una se oye por separado. El nuevo chip FieldCore utiliza cinco de esas "voces" a la vez.

El aire caliente sobre el asfalto tiembla, delatando la superficie recalentada. De manera similar funciona un termógrafo médico: la piel sobre un tumor suele estar un poco más caliente que la sana, apenas unas décimas de grado. Detectar esa diferencia y saber si es peligrosa es lo que intentan los programas informáticos.

Dentro de una estrella en explosión, los neutrinos se precipitan tan densamente que empiezan a influirse mutuamente. Sus estados cuánticos se entrelazan, como hilos en una madeja apretada donde ya no se distingue cuál es de quién. Las computadoras ordinarias apenas pueden con semejante tarea, pues el número de estados posibles crece de forma avalancha.

En una nube fría de átomos, enfriada casi hasta el cero absoluto, las energías pueden comportarse como hilos que se entrelazan formando trenzas. Estas trenzas no son solo una imagen bonita: su patrón está relacionado con la topología, la rama de las matemáticas que estudia las propiedades que se conservan bajo deformaciones continuas.

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.

Una cuerda trenzada a partir de cien hilos cortos puede estar retorcida hacia la derecha o hacia la izquierda. Cada hilo por separado no sabe hacia dónde está torcida toda la cuerda, pero intenta deshacerla y la diferencia se manifiesta de inmediato.

Cien luciérnagas en un frasco parpadean de forma desordenada, pero en cuanto se sincronizan, los destellos se combinan en un pulso brillante. Algo parecido ocurre con los emisores cuánticos: átomos individuales o partículas artificiales que pueden emitir fotones. Cuando son muchos e interactúan, calcular su comportamiento colectivo no es tarea fácil.

En una mesa óptica común, entre láseres y espejos, una nube de cien átomos de estroncio-87 comienza a vivir según las leyes del espacio-tiempo curvado. Medio segundo después, su interferencia cuántica se apaga: la dilatación del tiempo gravitacional destruye la superposición.