método variacional

Un blanco de gas se parece a un embudo: cuanto más inclinadas son sus paredes, más fuerte es el flujo. Solo que en este embudo no fluye agua, sino luz ultravioleta, que nace cuando un potente pulso láser atraviesa una nube de argón.

Un puerto de montaña conecta dos valles. En uno, la proteína está plegada; en el otro, desplegada. Para pasar de uno a otro, hay que cruzar la silla, el punto más alto del camino. En la ciencia de las proteínas, este punto se llama estado de transición, y la coordenada que indica la distancia hasta él se denomina commitador.

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.

Una transición de fase es como el momento en que el agua se convierte en hielo. En el mundo cuántico, estas transiciones ocurren en el cero absoluto, y verlas directamente es casi imposible. Normalmente, para ello se construyen modelos computacionales complejísimos que requieren enormes recursos. El método Delta-VQE propone un atajo.

El intérprete se distrae con cada susurro en la sala, y la reunión de una hora se convierte en dos. Algo parecido ha ocurrido durante años con los científicos que buscaban estados especiales en diminutas cadenas eléctricas: miraban la corriente total, pero no notaban cómo la señal estaba contaminada por el ruido.

Por lo general, un agujero negro se describe como una imagen congelada: hay masa, hay carga, y todo eso está inmóvil. Pero los objetos reales viven en el tiempo. Emiten radiación, pierden energía, cambian.

Cuando una partícula lleva una gran energía interna, como una peonza masiva, su movimiento se puede dividir en una parte rápida y una lenta. La parte rápida es un temblor que apenas afecta a lo principal. Los físicos han desarrollado un método que permite descartar ese temblor y quedarse solo con el movimiento lento y significativo.

Una diminuta esfera magnetizada flota en el vacío, sostenida por campos invisibles. Comienza a girar alrededor del eje del campo magnético, igual que una peonza a la que se le ha dado un ligero impulso. Esto es la precesión. Pero cuando la esfera se vuelve muy pequeña, entran en juego las leyes cuánticas.

Cualquier batería, desde la de tipo AA hasta la cuántica, es simple: hay una reserva de energía y una forma de extraerla. En el mundo cuántico, esa 'forma' se ve como una conmutación cuidadosa entre estados de una partícula, similar a mover una canica de un estante alto a uno bajo.

Reconstruir una imagen completa a partir de fragmentos es como distinguir la melodía de una orquesta en una sala ruidosa. Este tipo de tareas se presentan en la fotometría, donde a partir de un tenue centelleo se recupera el brillo de una estrella. Los métodos tradicionales requieren información precisa sobre el ruido, que casi nunca se conoce.

El mundo cuántico de muchos cuerpos es como un conjunto de jazz, donde cada electrón improvisa escuchando continuamente a los demás, y la función de onda global nace de este diálogo intenso.

Un agujero negro no es solo una mancha oscura. Gira, arrastra el espacio a su alrededor y puede llevar impresas las huellas del mundo cuántico. Para describir un agujero así, hay que resolver las ecuaciones del campo gravitatorio.

Una computadora cuántica se parece a un instrumento musical caprichoso: el más mínimo cambio de temperatura, humedad o afinación de las cuerdas hace que la melodía suene distinta.

El funámbulo avanza por el cable. Cada movimiento es un cálculo: desplazar el peso con precisión, o caer. En el mundo de las partículas cuánticas descritas por la ecuación de Dirac, también hay un abismo: las rapidísimas oscilaciones de la función de onda.

Un constructor no comprueba la resistencia de un arco repasando mentalmente todas sus formas posibles, sino desplazándolo ligeramente en su imaginación y viendo cuánta fuerza se gasta en ello. Así funciona aproximadamente el principio del trabajo virtual en mecánica.

Cada sistema cuántico —ya sea un átomo, un cristal o todo el universo— tiene su propio conjunto de energías permitidas, como los peldaños de una escalera. Cuanto más caliente está el sistema, más dispuestas están las partículas a subir a los peldaños superiores.

Una computadora cuántica mide la energía de una molécula más o menos como una cinta métrica vieja que solo tiene marcas cada metro. Si la longitud real de la mesa es de 2,37 metros, la cinta mostrará «dos y algo», y no se puede ser más preciso. Los físicos llaman a esto resolución: el paso de la rejilla, más fino que el cual no se puede saltar.

Mete un dedo en el agua una sola vez y, con esa única sensación, intenta adivinar su temperatura. En el mundo cuántico, estas mediciones únicas ocurren a cada paso, solo que lo que hay que adivinar son parámetros invisibles: por ejemplo, la fuerza de compresión de un rayo láser.

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?

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.

El vacío cuántico se asemeja a un mar continuamente agitado por diminutas ondas. El electrón en el átomo se mueve en este mar, y su trayectoria cambia ligeramente debido a las olas. Antes, estas correcciones se calculaban con precisión solo para iones hidrogenoides con un solo electrón.

Un sastre corta un traje, pero las costuras se abultan y los botones no coinciden. En la teoría cuántica de campos, inconsistencias similares se denominan anomalías: aparecen cuando la simetría de las ecuaciones se rompe al pasar a la descripción cuántica. Por lo general, se corrigen cosiendo parches adicionales, los llamados contra-términos de Bardeen-Weiss-Zumino.

El recocido cuántico funciona como una búsqueda inteligente de salida en un laberinto: en lugar de recorrer todos los callejones sin salida, usa efectos cuánticos para encontrar la salida más rápido. Pero este laberinto tiene una peculiaridad: los números que describen las paredes y los pasillos deben ser más o menos del mismo tamaño.

Cuando los químicos calculan el comportamiento de las moléculas en el ordenador, utilizan métodos aproximados porque el cálculo exacto es demasiado complejo. Para los átomos ligeros existen estándares contrastados, pero para los pesados, donde los efectos de la relatividad son importantes, no los había. Es como comprobar una regla con otra regla, en lugar de con el metro patrón.

La molécula de agua se parece a una diminuta mancuerna: dos átomos de hidrógeno se unen a un átomo de oxígeno formando un ángulo. Esa mancuerna no se queda quieta: se estira, se comprime y rota. Cada uno de esos movimientos tiene su propia energía, como los peldaños de una escalera.

Un rayo láser mantiene un ion individual en el vacío, y este ion se comporta como una canica encerrada entre dos hoyos. Los hoyos no son agujeros en el suelo, sino regiones donde al ion le resulta energéticamente favorable estar. En el mundo clásico, la canica rodaría hacia uno de los hoyos y se quedaría allí.

La computadora cuántica IBM Heron R3 resolvió un problema ante el que el método clásico se echó atrás. Se trata de encontrar el estado fundamental, es decir, el nivel de energía más bajo de un sistema de 49 bits cuánticos.

Durante un curso de radioterapia, el tumor y los tejidos circundantes pueden desplazarse o cambiar de tamaño. Los médicos realizan imágenes periódicamente y, a veces, ajustan el plan para que la radiación alcance exactamente el objetivo. Pero, ¿cómo saber cuánta dosis ya se ha administrado y cuánta falta?

Un buen cocinero prueba la sopa y añade una pizca de sal. Una balanza normal no notaría esa pizca, pero una sensible sí. En el mundo cuántico, el papel de esas balanzas lo desempeñan pares de partículas entrelazadas. Antes se pensaba que la conexión debía ser la más fuerte posible; de lo contrario, la precisión no mejoraría.

La luz no es solo un flujo de partículas, sino también una onda con una forma determinada en el tiempo. A veces, esa forma cambia tan rápido que capturarla es como fotografiar una bala en pleno vuelo. Los científicos han ideado una manera de medir estos estados cuánticos de luz tan fugaces. Para ello, utilizan un dispositivo llamado detector homodino balanceado.

Al preparar palomitas, el microondas gasta electricidad solo en calentar los granos. La cocina de gas calienta toda la hornalla y el aire alrededor. La misma diferencia existe entre un chip cuántico fotónico y un supercomputador clásico al resolver el problema ideado por Scott Aaronson.

Los electrones — diminutas partículas en las moléculas — maniobran constantemente, evitando colisiones, como pasajeros en hora pico. Para calcular su comportamiento, los científicos establecen una regla de distancia personal: una función matemática que indica qué tan cerca puede acercarse un electrón a su vecino.

Todos los cuerpos caen de la misma manera — lo notó Galileo. Einstein convirtió esta observación en el principio de equivalencia: la gravedad y la aceleración son indistinguibles, de lo cual nació el espacio-tiempo curvado.

En el mundo cuántico, las partículas no tienen propiedades definidas hasta que se miden. El modelo oficial se niega a explicar qué se esconde detrás de esta incertidumbre. Pero la idea de que 'pilotos' invisibles gobiernan las partículas existe desde la década de 1920.