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LO DICHO: La “cuántica” aparece cada vez más en diferentes términos como, por ejemplo, diagnóstico cuántico de un paciente.
En parte, la cuántica sigue siendo misterio
En parte, la cuántica sigue siendo misterio
A pesar de que la mecánica cuántica surgió para resolver un
problema científico, más de un siglo después aún guarda algo de misterio. La
física cuántica predice comportamientos paradójicos o increíbles. Por ejemplo,
una partícula cuántica no posee solo un valor de una cantidad física, sino
todos los valores al mismo tiempo, algo que se llama superposición; dos
partículas cuánticas pueden permanecer ligadas o “entrelazadas”, aun a
distancias ilimitadas y sin ninguna conexión física de por medio; y se pueden
teletransportar a través del espacio vacío.
LOS SALTOS CUÁNTICOS ESTÁN INCLUSO EN TU DISCOTECA PREFERIDA
En 2011, el físico austríaco Anton Zeilinger aplicó un
cuestionario con 16 preguntas de opción múltiple a más de 30 especialistas en
teoría cuántica, acerca de sus conceptos básicos y su interpretación. Ninguna
de las posibles respuestas recibió apoyo unánime, pues muchas de las preguntas
provocaron un amplio rango de opiniones. Según el investigador Charles Clark,
codirector del Joint Quantum Institute en la Universidad de Maryland, sería “un
gran tema ubicar dónde está el problema” que hace que la teoría cuántica sea
tan difícil de interpretar. En parte, esto se debe a que es muy abstracta; pero
resulta abstracta en razón a la pequeñez de lo que describe. Cuando pateamos un
balón, obtenemos conocimiento empírico de cómo funciona el mundo a una escala
humana. Pero no podemos patear un protón o aventar un fotón; solo podemos
describir estas partículas con ayuda de la teoría cuántica.
Un acto de
desesperación
Cuando Max Planck inventó la teoría cuántica en 1900, pensó
que solo era un truco matemático. Pero su “truco” explicaba por qué los físicos
de la época no podían responder a esta pregunta: “¿Cuál es la naturaleza de la
luz emitida por una llama o cualquier otro cuerpo caliente?” Sabían que la luz
era una onda electromagnética generada por partículas cargadas eléctricamente,
como los electrones, pero el problema era que los cálculos que usaban para
aplicar esta teoría contradecían los resultados del laboratorio del espectro de
luz generado por objetos calientes.
Planck probó varias soluciones para resolver el problema
antes de dar con la idea de que la luz es emitida por medio de energías
“cuánticas”, múltiplos exactos de cierta cantidad mínima, o “cuanto”. A esto lo
llamó “un acto de desesperación”, pero produjo el espectro correcto de luz de
un cuerpo caliente y eso le valió el Premio Nobel en 1918. Después, Albert
Einstein y Niels Bohr obtuvieron sus propios premios Nobel al extender el
trabajo de Planck. Einstein mostró que la luz viene en discretos paquetes de
energía, luego llamados fotones; y Bohr planteó que los electrones en un átomo
absorben o emiten fotones al tiempo que brincan entre niveles de energía
cuántica.
Fue asombroso encontrar que el mundo operaba de esta extraña
manera. Ahora se sabe que los saltos cuánticos y todo lo demás son reales.
Pero, ¿por qué la humanidad no notó los “cuantos” hasta 1900...? Sencillamente
porque hablamos de una cantidad de energía muy pequeña. Incluso el febril
brillo de una vela representa un torrente de fotones (trillones por segundo).
La luz que irradia una fuente es como arena derramándose de un cubo; parece ser
una corriente continua, pero en realidad es una multitud de diminutos granos
perdidos dentro del flujo mayor. De forma similar, los saltos cuánticos en los
átomos son cambios extremadamente pequeños en la energía, aunque el uso popular
de “saltos cuánticos” con frecuencia hace referencia, incorrectamente, a
grandes cambios.
Saltos cuánticos
reales
Pueden encontrarse en tu disco-bar favorito o en el supermercado
local. Siempre que veas brillar el anuncio luminoso de alguna cerveza o el
escáner de un código de barras, mira detenidamente: estás observando saltos
cuánticos eléctricos en acción a través de sus huellas dactilares, la emisión
de la luz, como Niels Bohr determinó.
La descarga luminosa está también en la iluminación
fluorescente y en el láser. En un tubo fluorescente común y corriente (por
ejemplo el que tienes encima de tu cabeza), los saltos cuánticos en el vapor de
mercurio crean fotones ultravioleta que activan un revestimiento dentro del
tubo, el cual produce luz blanca. El láser, inventado en 1960, es como un tubo
de descarga entre dos espejos. Al tiempo que los fotones de un salto cuántico
atómico rebotan de un lado a otro, estimulan más fotones de los átomos que lo
atraviesan. Eso produce un rayo mejorado de luz pura en una sola longitud de
onda. Un rayo cuya infinita gama de usos hace evidente que la energía cuántica
es real.
Los saltos cuánticos aparecen también en los diodos emisores
de luz LED (tan comunes hoy en día). Los leds están hechos de semiconductores
en los cuales los electrones deben saltar a través de una brecha hacia una
energía mayor, antes de moverse como corriente eléctrica. Al aplicarle voltaje
al led, los electrones saltan la brecha, y después regresan produciendo
fotones.
Además de servir para el led, el comportamiento cuántico es
crucial para los aparatos digitales. Sus circuitos integrados están hechos de
silicio semiconductor, cuya brecha de energía cuántica permite un buen control
de los electrones para manipular los bits digitales.
Extraño, pero útil
Necesitamos comprender estos raros efectos si deseamos
entender la física cuántica; pero, incluso sin eso, la cuántica está entrando
en la tecnología digital. Los circuitos integrados en los aparatos digitales
representan bits binarios en pequeños interruptores electrónicos que se prenden
o apagan para representar el 0 y el 1. Pero cualquier sistema con dos
posibilidades también puede representar el 0 y el 1, incluyendo los estados U y
D de los electrones y los estados H y V de los fotones; solo por medio de la
superposición, estos representan 0 y 1 simultáneamente.
Esta es la idea innovadora detrás del bit cuántico, o qubit,
una especie de superbit (el nombre se inventó como un chiste en 1995). Por
ejemplo, dos bits ordinarios representan solo uno de los números decimales 0,
1, 2, 3… pero dos qubits representan los cuatro números al mismo tiempo. La
ventaja crece rápidamente, de tal forma que 20 qubits cargan 20 millones más de
veces la información que 20 bits. Se ha estimado que una computadora “cuántica”
que usase 150 o 300 qubits tendría el poder de todas las supercomputadoras
convencionales del mundo juntas.
El Joint Quantum Institute de la Universidad de Maryland y
una docena de laboratorios más alrededor del mundo, trabajan para usar qubits
en la informática y también en las telecomunicaciones, ya que los fotones que
atraviesan una amplia red de fibra óptica cargan gran parte de la información
que viaja por el mundo, desde las llamadas telefónicas hasta las descargas de
internet. Sin embargo, la tecnología de los qubit es difícil de implementar,
porque las partículas deben ser aisladas del ambiente y mantenerse a
temperaturas ultrabajas para que permanezcan en superposición. Pasarán años
antes de que tengamos la computadora de 150 qubits, pero ya se han construido y
programado las versiones de prueba que usan unos cuantos qubits de fotones para
resolver el problema. Los qubits de fotones también se están utilizando para
realizar transmisiones de información más seguras por medio de las aplicaciones
del entrelazado.
Teletransportación
El primer paso para entrelazar fotones es crear un par correlacionado
con uno de ellos en estado H y el otro en estado V (lo cual se puede obtener
enviando luz a través de ciertos cristales), aunque aún no sabemos cuál es
cual. Si después se separa ampliamente a los fotones, estos mostrarán una
propiedad sorprendente. Si se mide al fotón 1 como H, la medición del fotón 2
dará V; pero si el fotón 1 se mide como V, el segundo fotón da H. De alguna
manera, el fotón 2 “sabe” el resultado de la medición del fotón 1 y se ajusta
de acuerdo con ese resultado; las dos partículas están entrelazadas.
Para observar lo excepcional que es esto, pongámoslo en un
contexto más familiar. Un cajón en la Ciudad de México contiene un número
idéntico de calcetines negros y blancos, al igual que un cajón en Toronto,
Canadá. Si se elige en forma aleatoria un calcetín en la Ciudad de México y un
amigo escoge otro en Toronto, la mitad de las veces las elecciones coincidirán.
Pero si los calcetines están entrelazados, como los fotones, no importa qué
color elijas, tu amigo escogerá el otro color en todas las ocasiones, a pesar
de la distancia entre los dos calcetines y la ausencia de cualquier conexión
física.
El entrelazado de los fotones se demostró en el laboratorio
en 1982; las últimas mediciones muestran que puede operar en distancias de
hasta 144 kilómetros de espacio vacío. También señalan que cualquier
información transmitida entre los fotones viaja 10.000 veces más deprisa que la
luz y quizá de manera instantánea. Esto contraviene los resultados de la
relatividad de Einstein, donde se asegura que nada puede viajar más rápido que
la luz. Peor aún, la transmisión instantánea nos hará volver a considerar por
completo nuestras nociones de tiempo y espacio.
Mucho antes de que se dieran estos inquietantes resultados,
a Einstein le costaba trabajo aceptar el entrelazamiento y lo llamó “una
espeluznante acción a distancia”. Pero existe, con partículas conectadas de
algún modo por un desconocido canal cuántico que no logramos comprender. Aún
más: los investigadores han llevado este misterioso vínculo más allá, al campo
de la teletransportación. En ese medio de transporte tan común en la ciencia
ficción (ficción por ahora), una persona o un objeto es replicado en otra parte
mientras desaparece de su ubicación original, como podía verse en las historias
de Star Trek. En 1993, Charles Bennett de IBM y sus colegas mostraron en teoría
cómo teletransportar un fotón. Imaginando un par de fotones entrelazados en
distintas ubicaciones, A y B, demostraron que el estado polarizado de un tercer
fotón podía enviarse de la posición A al fotón en B, por medio del canal de
entrelazamiento, recreando de tal manera al tercer fotón en el sitio lejano.
Anton Zeilinger (el del cuestionario cuántico) y sus colegas demostraron la
teletransportación de un fotón en el laboratorio en 1997, y en 2012 reportaron
haber teletransportado fotones en distancias mayores a 143 kilómetros.
UN ORDENADOR CUÁNTICO TENDRÍA EL PODER DE TODAS LAS SUPER COMPUTADORAS DEL MUNDO.
UN ORDENADOR CUÁNTICO TENDRÍA EL PODER DE TODAS LAS SUPER COMPUTADORAS DEL MUNDO.
El secreto cuántico
Estos efectos van más allá de la ciencia ficción cuando los
fotones polarizados se controlan como qubits en la criptografía cuántica,
método diseñado para transmitir información de modo seguro por medio de una red
de fibra óptica. En 1984, Charles Bennett y Gilles Brassard inventaron la
distribución de la llave cuántica. Como la combinación de un candado, la
“llave” es un largo hilo de bits que conforman la contraseña secreta para
acceder a un complejo de algoritmos que codifican y decodifican información. El
código es indescifrable sin la llave, pero esta, a su vez, debe ser difundida
del transmisor al receptor cuando corre el riesgo de ser leída por un tercero.
Bennett y Brassard mostraron cómo podía evitarse esa
vulnerabilidad en la seguridad usando la aleatoriedad cuántica de los qubits de
fotones, para crear un único y azaroso hilo de bits que funcionara como una
codificada llave secreta basada en el entrelazamiento de fotones. Las llaves
cuánticas se han usado para asegurar transferencias bancarias y resultados
electorales en Suiza. Aún no son comunes.
Rareza cuántica de
tamaño completo
Es posible que jamás seamos capaces de teletransportar gente
o grandes objetos, pero en 2011, Lan Walmsley, de la Universidad de Oxford, y
sus colegas entrelazaron objetos macroscópicos visibles para el ojo humano: dos
diamantes, cada uno de tres milímetros de largo.
Los átomos en sólidos cristalinos, como los diamantes,
vibran a energías cuánticas, las cuales se encuentran en cantidades inusuales
en los átomos de carbono de los diamantes. En el experimento, estos efectos
exteriores se mantuvieron al margen lo suficiente como para preservar los
estados cuánticos y permitirles a los investigadores enlazar los diamantes a
distancias de hasta 15 centímetros. Este es un paso en la creciente extrañeza
cuántica para llegar a un punto en el cual sea más fácil examinarla y
comprenderla.