entrelazamiento de tres fotones

El pastel de capas de disulfuro de molibdeno MoS2 descansa sobre la mesa del laboratorio. Se prepara de la manera habitual: una cinta adhesiva arranca las capas superiores para obtener una muestra delgada. Pero bajo la cinta queda una cavidad invisible, donde los pisos atómicos ya no están apretados entre sí.

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.

La comunicación cuántica es como enviar una carta secreta que se destruye si alguien intenta leerla. Hasta ahora, esa carta solo podía enviarse por un único camino, y eso era lento. Los científicos han ideado la manera de enviar 16 mensajeros por 16 caminos paralelos —diferentes frecuencias de luz— y han comprobado que las cartas llegan intactas.

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.

En una película delgada de perovskita, un material para baterías solares baratas, la luz genera pares de cargas: un electrón y un "hueco". Deben llegar a los electrodos y producir corriente, pero muchos desaparecen en el camino. Dónde exactamente es la pregunta de la que depende la eficiencia de la batería.

La vida del par entrelazado de tripletes en la proteína es de unos 60 picosegundos, ocho veces más que en disolución. La luz solar es como un flujo continuo de pelotas que chocan contra una pared.

Tres bolas de billar tras el impacto se dispersan por la mesa: sus trayectorias dependen solo del impulso inicial. Pero en el mundo de los núcleos atómicos todo es más complejo: las partículas se sienten entre sí en movimiento, incluso si no están ligadas en un todo.

La luz de la etapa más caliente del universo ha viajado hacia nosotros durante casi 14 mil millones de años. Esta es la radiación cósmica de fondo: un débil resplandor que llena todo el cielo.

En una fila apretada de átomos, separados por distancias menores que la longitud de onda de la luz, se esconde un estado asombroso. La excitación se reparte entre todas las partículas de tal manera que su radiación se anula a sí misma.

Las redes cuánticas del futuro recuerdan a la torre de Babel: cada nodo habla su propio dialecto. Unos almacenan la información en la polarización del fotón —la dirección de oscilación de la onda luminosa—. Otros, en bits temporales, es decir, en el momento exacto en que llega el pulso.

Tres haces láser se entrelazan formando un triángulo. Cada uno está enlazado con los otros dos: así está diseñado el nuevo esquema que los físicos llaman «vacío comprimido de tres modos totalmente conectado».

Cada aniquilación de un positrón se asemeja al nacimiento de una pareja de bailarines, unidos por un hilo invisible de polarización. Dos rayos gamma se separan, pero sus estados permanecen entrelazados: medir uno determina instantáneamente al otro, como si la pareja sintiera cada movimiento sin importar la distancia.

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 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.

La luz incide sobre una molécula orgánica y en su interior nace un par de excitaciones gemelas. Se las llama pares tripletes. En moléculas individuales de pentaceno, estos pares saben compartir su energía con los vecinos desde hace tiempo: es la base de la fisión de singlete, que aumenta la eficiencia de las células solares.

El núcleo de carbono se representó durante mucho tiempo como una esfera homogénea de protones y neutrones, uniformemente mezclados como una masa. Pero el físico George Gamow sospechaba algo distinto: las partículas en su interior podrían agruparse en diminutos bloques muy compactos, los núcleos de helio, o partículas alfa.

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.

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 esponja de cocina empapada en almíbar: en algunos lugares hay más almíbar y el dedo se pega de inmediato; en otros, apenas lo toca. Así es más o menos la superficie de un catalizador. Las moléculas no reaccionan en todas partes, sino en puntos especialmente pegajosos: los centros activos.

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.

Los núcleos atómicos no siempre se parecen a bolas de billar. Algunos son alargados como cigarros, otros achatados. En el xenón-129, la forma recuerda a una patata: un elipsoide abultado de tres ejes.

Una fuente de fotones convencional puede compararse con la entrada de una discoteca con un solo portero. Trata de dejar pasar a los visitantes de uno en uno, pero a veces se cuelan parejas. Los físicos llaman a esto el problema de la pureza: los fotones deben ir estrictamente uno tras otro, de lo contrario los cálculos cuánticos fallan.

Dos agujeros negros chocan de frente a gran velocidad, mientras un tercero orbita cerca. En la vida cotidiana, un accidente así generaría una ráfaga de ondas gravitacionales (ondulaciones en el espacio, como las que produce una piedra al caer en un estanque).

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.

El haz de una linterna dirigido a través de un vidrio esmerilado se convierte en una mancha difusa con cada milímetro adicional de grosor. Algo similar ocurre con los centelleadores: materiales que convierten los rayos X en luz visible. Son la base de las imágenes médicas, la inspección de equipaje y los detectores en aceleradores.

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.

Las redes cuánticas necesitan un intermediario entre el almacenamiento — el espín — y el portador — la luz. Ninguna molécula individual había logrado esa tarea. Pero ahora los físicos han encontrado una solución. Colocaron una molécula de carbeno en un cristal y lo enfriaron a -269 °C.

Diminutas islas de semiconductor, cultivadas directamente sobre silicio, disparan fotones individuales, como una ametralladora que expulsa estrictamente una bala a la vez. Estas islas se denominan puntos cuánticos. Son capaces de emitir luz en paquetes, lo que se necesita para proteger la información en redes cuánticas.

Dos fotones salen de un mismo punto en el pecho del paciente. Son gemelos: si alteras uno, al instante sabes algo del otro. Esa conexión se llama entrelazamiento cuántico. En una exploración PET, estos pares nacen dentro del cuerpo cuando la sustancia radiactiva inyectada se encuentra con los electrones de los tejidos. El grado de entrelazamiento no es constante.

Una molécula de deuterio, formada por dos átomos de hidrógeno pesado, se desintegra al recibir el impacto de un láser. Un electrón es arrancado, dejando tras de sí un ion. En ese momento, ambos siguen vinculados: la dirección de uno revela de inmediato hacia dónde fue el otro. Esa conexión se llama entrelazamiento cuántico.

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.

Un grifo del que el agua no sale en chorro, sino estrictamente de a una gota: así se puede describir la fuente de fotones individuales que presentan los autores. En la luz ordinaria, los fotones viajan en multitud, como el agua de un grifo abierto.

La luz y los átomos, como bailarines, pueden moverse al unísono o en desorden. Cuando su interacción es anisotrópica —es decir, depende de la dirección—, el baile se complica.

La luz ordinaria es como una multitud en una plaza: cada fotón se mueve por su cuenta, chocando y dispersándose. Pero en algunos medios, los fotones, como una jauría de perros, comienzan a correr juntos: se agrupan. Los científicos han creado un láser de fibra aleatoria donde las partículas de luz se reúnen en bandadas especialmente densas.

En una habitación oscura, un átomo y la luz quedan encerrados juntos en una cajita de espejos. La cajita es tan pequeña que el átomo no puede simplemente soltar la luz: intercambian energía constantemente, como dos bailarines que no se sueltan las manos.

El láser golpea un átomo de estroncio y de él salen dos electrones a la vez. Antes se pensaba que en esta doble ionización cada electrón actuaba por su cuenta: uno es expulsado primero, el segundo después, al azar.

En dos salas de espejos perpendiculares entre sí vive una nube de átomos. Cada átomo es como un cantante en un coro: por sí solo puede permanecer en silencio, pero cuando los vecinos comienzan a cantar, él se une.

La luz de los diminutos cristales de perovskita es como la actuación de un coro, donde las voces suenan unas veces solas y otras en un dúo armonioso. Antes, ese dúo solo podía escucharse con un enfriamiento extremo, casi hasta el frío del espacio. Ahora, el coro canta a temperatura ambiente.

La luz cuántica no es solo un flujo de partículas, sino un intrincado patrón de espacio y tiempo. Un fotón individual puede estar estirado, comprimido, disperso en diferentes direcciones.

La luz ordinaria es un flujo de partículas independientes: los fotones se atraviesan unos a otros sin notar a sus vecinos. Pero en circuitos superconductores enfriados casi hasta el cero absoluto, la situación cambia. Allí, los fotones viajan por estrechos caminos de metal, y si en esos caminos se incrustan diminutos elementos llamados uniones de Josephson, la luz comienza a "sentirse" a sí misma.