computación cuántica topológica

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.

El mundo cuántico está lleno de sorpresas: si intercambias dos electrones, su función de onda conjunta solo cambia de signo, y si intercambias dos fotones, no ocurre nada en absoluto. Pero hay partículas que al intercambiarse se comportan de manera muy distinta: como si recordaran que han sido intercambiadas. Estas partículas se llaman anyones y solo son posibles en el mundo bidimensional.

En el mundo de las partículas cuánticas hay sus propios «introvertidos»: los anyones. No se parecen a los electrones o protones habituales. Si intercambias de lugar a dos de estos «introvertidos», ellos recuerdan la maniobra, como dejando una huella invisible.

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.

La luz fluye como un río invisible. Si colocas un obstáculo en el camino del flujo, el agua se arremolina en remolinos. Así, las superficies especiales crean 'torbellinos' de luz que atrapan nanopartículas como astillas.

Un cocinero perfecciona durante años la habilidad de reducir una receta a tres o cuatro esencias y reconstruir el plato a partir de ellas. Si los ingredientes son conocidos, en el plato aparece la comida esperada. Un ingrediente extraño rompe la compresión y resulta algo irreconocible. El compresor cuántico actúa igual con las imágenes médicas.

Los libros de texto dividen las partículas en dos bandos: a los bosones les encanta amontonarse en un mismo estado, mientras que los fermiones se niegan rotundamente. Pero la naturaleza admite una tercera opción. Los anyones son cuasipartículas cuyo comportamiento se sitúa en algún punto intermedio.

Una nube de átomos de rubidio cae en una trampa de luz. Los láseres y los campos magnéticos la organizan como una red cristalina, pero aquí las celdas no miden fracciones de milímetro, sino fracciones de micrómetro.

Dos dados siempre caen del mismo lado, sin importar cuán lejos se lancen. En física cuántica, este comportamiento se llama entrelazamiento, y es el recurso principal para las computadoras del futuro y las comunicaciones seguras. Pero el problema es que no todo entrelazamiento es fácil de detectar.

Dos baterías cuánticas están separadas por una gran distancia, pero entre ellas hay una nube compartida de qubits, como un lienzo tensado. Alicia quiere cargar la batería de Bob sin tocarla. En lugar de un empujón directo, dibuja un patrón en el lienzo —un qubit lógico— gastando su propia energía.

El conductor gira el volante para que el coche doble. En el mundo cuántico también hay "volantes": parámetros externos que se cambian suavemente para trasladar partículas de un lugar a otro.

Un largo hilo de cuentas se acomoda en una cajita diminuta: unas cuentas se aprietan entre sí, otras se separan. Ese es el problema que resuelve una proteína cuando se pliega en una molécula funcional. Solo que las cuentas —los aminoácidos— pueden ser cientos, y cada contacto entre ellas altera toda la estructura.

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.

Una computadora cuántica es un instrumento caprichoso. Cada medición de su estado es como fotografiar un objeto en movimiento rápido: cuanto más corta sea la exposición, más probabilidades hay de obtener una imagen borrosa. Pero si luego se procesan hábilmente una serie de esas instantáneas, se puede reconstruir una imagen nítida. Eso es exactamente lo que hicieron los investigadores.

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.

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.

Si comprimes una placa con celdas en forma de acordeón, una onda de pliegue recorrerá su superficie, como un doblez en una alfombra cuando la empujas con el pie. Estas ondas pueden cambiar el material entre dos formas estables, y sobre esto se construye la memoria mecánica. Pero si en el camino del doblez aparece la pata de una mesa, se atasca. En el nuevo trabajo se muestra cómo moverlo sin usar fuerza bruta.

Una computadora cuántica teje con los qubits algo parecido a un hilo, donde cada nudo es una partícula y la conexión entre ellos es un entrelazamiento. Cuando un físico mide un qubit, el hilo cambia: en algún lugar se rompe, en otro se cose, y a veces aparece un giro.

Un superconductor es un material que, a muy baja temperatura, conduce la electricidad sin pérdidas: los electrones se mueven sin chocar entre sí, como una multitud que camina por un pasillo perfectamente liso.

Un ordenador cuántico se parece a una tetera demasiado caliente: las partículas corretean sin orden y hay que calmarlas para obtener una respuesta útil. En un nuevo trabajo, los físicos han ideado cómo enfriar una cadena de 19 espines cuánticos (pequeños imanes) directamente en un dispositivo real.

Los átomos, como hilos en una trenza, siguen una regla estricta: si un hilo está «cargado», los vecinos deben guardar silencio. Este fenómeno — bloqueo de Rydberg — permite trenzar patrones cuánticos estables. En tales patrones surge un orden topológico: una estructura donde lo que importa es el dibujo de los entrelazamientos, no los bucles individuales.

Todo el material, desde las estrellas hasta el ser humano, está compuesto por partículas que en el Modelo Estándar se dividen en dos familias. Pero también hay un tercer tipo, raro: partículas que al intercambiarse no solo cambian, sino que se atan en un nudo, recordando el hecho del entrelazamiento y no el camino.

En el corazón de un superconductor, los electrones se fusionan en pares de Cooper y se mueven sin resistencia. Pero si en ese orden perfecto surge un vórtice, una diminuta región donde la superconductividad desaparece, aparecen allí excitaciones especiales: las cuasipartículas de Bogoliubov.