LA FSICA CUNTICA, PARA ENTENDERLA POR FIN

No podemos observarlos directamente, pero el comportamiento detomos, quarks, fotones y todo aquello que compone la realidad a una escala nanomtrica o menor confirma que an no sabemos gran cosa del universo. La teora cuntica que describe estas diminutas partculas dej de ser una rareza antes confinada al laboratorio; ahora invade nuestras vidas y se encuentra en el telfono inteligente que llevamos en nuestro bolsillo, y hasta en el nmero de la tarjeta de crdito que usamos para comprar por internet. La cuntica aparece cada vez ms en trminos como sanacin cuntica y polticas cunticas. Cuntico se ha convertido en una palabra de moda. Cualquier relevancia cientfica en estos usos es puramente accidental; sin embargo, esto ilustra que lo cuntico posee una mstica ms all de lo cientfico.A pesar de que la mecnica cuntica surgi para resolver un problema cientfico, ms de un siglo despus an guarda algo de misterio. Lafsicacuntica predice comportamientos paradjicos o increbles. Por ejemplo, una partcula cuntica no posee solo un valor de una cantidad fsica, sino todos los valores al mismo tiempo, algo que se llama superposicin; dos partculas cunticas pueden permanecer ligadas o entrelazadas, aun a distancias ilimitadas y sin ninguna conexin fsica de por medio; y se puedenteletransportara travs del espacio vaco.

Los saltos cunticos pueden encontrarse en tu bar favorito y en el supermercado localEn 2011, el fsico austraco Anton Zeilinger aplic un cuestionario con 16 preguntas de opcin mltiple a ms de 30 especialistas en teora cuntica, acerca de sus conceptos bsicos y su interpretacin. Ninguna de las posibles respuestas recibi apoyo unnime, pues muchas de las preguntas provocaron un amplio rango de opiniones. Segn el investigador Charles Clark, codirector delJoint Quantum Instituteen la Universidad de Maryland, sera un gran tema ubicar dnde est el problema que hace que la teora cuntica sea tan difcil de interpretar. En parte, esto se debe a que es muy abstracta, por mor de la pequeez de lo que describe. Cuando pateamos un baln, obtenemos conocimiento emprico de cmo funciona el mundo a una escala humana. Pero no podemos patear un quark o aventar un fotn; solo podemos describir estas partculas con ayuda de la teora cuntica.

Una idea desesperada

Cuando Max Planck invent la teora cuntica en 1900, pens que solo era un truco matemtico. Pero su truco explicaba por qu los fsicos de la poca no podan responder a esta pregunta: Cul es la naturaleza de la luz emitida por una llama o cualquier otro cuerpo caliente? Saban que la luz era una ondaelectromagnticagenerada por partculas cargadas elctricamente, como los electrones, pero el problema era que los clculos que usaban para aplicar esta teora contradecan los resultados del laboratorio del espectro de luz generado por objetos calientes.Planck prob varias soluciones para resolver el problema antes de dar con la idea de que la luz es emitida por medio de energas cunticas, mltiplos exactos de cierta cantidad mnima, o cuanto. A esto lo llam un acto de desesperacin, pero produjo el espectro correcto de luz de un cuerpo caliente y eso le vali el Premio Nobel en 1918. Despus, Albert Einstein y Niels Bohr obtuvieron sus propios premios Nobel al extender el trabajo de Planck. Einstein mostr que la luz viene en discretos paquetes de energa, luego llamados fotones, y Bohr plante que los electrones en untomoabsorben o emiten fotones al tiempo que brincan entre niveles de energa cuntica.

Fue asombroso encontrar que el mundo operaba de esta extraa manera. Ahora se sabe que los saltos cunticos y todo lo dems son reales. Pero, por qu la humanidad no not los cuantos hasta 1900? Porque hablamos de una cantidad de energa muy pequea. Incluso el febril brillo de una vela representa un torrente de fotones (trillones por segundo). La luz que irradia una fuente es como arena derramndose 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 cunticos en los tomos son cambios extremadamente pequeos en la energa, aunque el uso popular de saltos cunticos con frecuencia hace referencia, incorrectamente, a grandes cambios.Saltos cunticos reales

Pueden encontrarse en tu bar favorito o en el supermercado local. Siempre que veas brillar el anuncio luminoso de alguna cerveza o el escner de un cdigo de barras, mira detenidamente: ests observando saltos cunticos elctricos en accin a travs de sus huellas dactilares, la emisin de la luz, como Niels Bohr determin.Un anuncio denenes un tubo de cristal relleno con el gas noble nen o con otro gas que brilla cuando se le aplica un voltaje. La descarga luminosa, vista por primera vez a finales del siglo XIX, funciona porque el voltaje eleva a los electrones de los tomos del gas a un nivel ms alto de energa; despus, los electrones descienden a niveles ms bajos y sueltan fotones. Los gases poseen diferentes niveles de energa atmica, y estos niveles definen laslongitudes de ondadel fotn. El nen produce luz roja, el argn genera luz azul y as.La descarga luminosa est tambin en la iluminacin fluorescente y en ellser. En un tubo fluorescente, los saltos cunticos en el vapor de mercurio crean fotones ultravioleta, que activan un revestimiento dentro del tubo, el cual produce luz blanca. El lser, inventado en 1960, es como un tubo de descarga entre dos espejos. Al tiempo que los fotones de un salto cuntico atmico rebotan de un lado a otro, estimulan ms fotones de los tomos 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 energa cuntica es real.Los saltos cunticos aparecen tambin en los diodos emisores de luz (led). Los leds estn hechos de semiconductores en los cuales los electrones deben saltar a travs de una brecha hacia una energa mayor, antes de moverse como corriente elctrica. Al aplicarle voltaje al led, los electrones saltan la brecha, y despus regresan produciendo fotones.Adems de para el led, el comportamiento cuntico es crucial para los aparatos digitales. Sus circuitos integrados estn hechos de silicio semiconductor, cuya brecha de energa cuntica permite un buen control de los electrones para manipular los bits digitales.Jugar a los dados

Aunque los saltos cunticos se consideraron radicales, no contradicen las visiones existentes del mundo. La superposicin, el entrelazamiento y la teletransportacin, sin embargo, producen ms extraeza porque se oponen a nuestro entendimiento del universo. Estos problemas surgen porque la teora cuntica no predice valores definitivos para las propiedades fsicas, sino solo probabilidades.Einstein no crea que la naturaleza fuera azarosa, como lo expres en su famoso comentario Dios no juega a los dados con el universo, pero en teora cuntica este no parece ser el caso. Una bola de bisbol tiene cierto impulso, pero en el mundo cuntico, cualquier partcula lleva en s todos sus posibles valores fsicos al mismo tiempo o en superposicin hasta que es medido o interacta con el ambiente.Por ejemplo, la propiedad llamada giro hace que los electrones se comporten como pequeas barras magnticas con su polo norte apuntando hacia arriba (U) o abajo (D). En teora cuntica, el electrn est en estos estados al mismo tiempo, pues existe una probabilidad del 50% de que una medicin muestre U o D.El experimento del gato de Schrdinger como lo imagin en 1935 el pionero de la teora cuntica Erwin Schrdinger ilustra esta naturaleza estadstica. El gato est muerto o vivo dependiendo de un evento aleatorio y, por tanto, puede describirse en ambos estados a la vez.

Extrao, pero til

Necesitamos comprender estos raros efectos si deseamos entender la fsica cuntica; pero, incluso sin eso, la cuntica est entrando en la tecnologa digital. Los circuitos integrados en los aparatos digitales representan bits binarios en pequeos interruptores electrnicos que se prenden o apagan para representar el 0 y el 1. Pero cualquier sistema con dos posibilidades tambin 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 superposicin, estos representan 0 y 1 simultneamente.

Esta es la idea innovadora detrs del bit cuntico, o qubit, una especie de superbit (el nombre se invent como un chiste en 1995). Por ejemplo, dos bits ordinarios representan solo uno de los nmeros decimales 0, 1, 2, 3 pero dos qubits representan los cuatro nmeros al mismo tiempo. La ventaja crece rpidamente, de tal forma que 20 qubits cargan 20 millones ms de veces la informacin que 20bits. Se ha estimado que una computadora cuntica que usase 150 o 300 qubits tendra el poder de todas las supercomputadoras convencionales del mundo juntas.El Joint Quantum Institute de la Universidad de Maryland y una docena de laboratorios ms alrededor del mundo trabajan para usar qubits en la informtica y tambin en las telecomunicaciones, ya que los fotones que atraviesan una amplia red de fibra ptica cargan gran parte de la informacin que viaja por el mundo, desde las llamadas telefnicas hasta las descargas de internet. Sin embargo, la tecnologa de los qubit es difcil de implementar, porque las partculas deben ser aisladas del ambiente y mantenerse a temperaturas ultrabajas para que permanezcan en superposicin. Pasarn aos 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 tambin se estn utilizando para realizar transmisiones de informacin ms seguras por medio de las aplicaciones del entrelazado.TeletransportacinEl 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 travs de ciertos cristales), aunque an no sabemos cul es cual. Si despus se separa ampliamente a los fotones, estos mostrarn una propiedad sorprendente. Si se mide al fotn 1 como H, la medicin del fotn 2 dar V; pero si el fotn 1 se mide como V, el segundo fotn da H. De alguna manera, el fotn 2 sabe el resultado de la medicin del fotn 1 y se ajusta de acuerdo con ese resultado; las dos partculas estn entrelazadas.Para observar lo excepcional que es esto, pongmoslo en un contexto ms familiar. Un cajn en la Ciudad de Mxico contiene un nmero idntico de calcetines negros y blancos, al igual que un cajn en Toronto, Canad. Si se elige en forma aleatoria un calcetn en la Ciudad de Mxico y un amigo escoge otro en Toronto, la mitad de las veces las elecciones coincidirn. Pero si los calcetines estn entrelazados, como los fotones, no importa qu color elijas, tu amigo escoger el otro color en todas las ocasiones, a pesar de la distancia entre los dos calcetines y la ausencia de cualquier conexin fsica.El entrelazado de los fotones se demostr en el laboratorio en 1982; las ltimas mediciones muestran que puede operar en distancias de hasta 144 kilmetros de espacio vaco. Tambin sealan que cualquier informacin transmitida entre los fotones viaja 10.000 veces ms deprisa que laluzy quiz de manera instantnea. Esto contraviene los resultados de la relatividad de Einstein, donde se asegura que nada puede viajar ms rpido que la luz. Peor an, la transmisin instantnea nos har 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 llam una espeluznante accin a distancia. Pero existe, con partculas conectadas de algn modo por un desconocido canal cuntico que no logramos comprender. An ms: los investigadores han llevado este misterioso vnculo ms all, al campo de la teletransportacin. En ese medio de transporte tan comn en la ciencia ficcin, una persona o un objeto es replicado en otra parte mientras desaparece de su ubicacin original, como poda verse en las historias de Star Trek. En 1993, Charles Bennett de IBM y sus colegas mostraron en teora cmo teletransportar un fotn. Imaginando un par de fotones entrelazados en distintas ubicaciones, A y B, demostraron que el estado polarizado de un tercer fotn poda enviarse de la posicin A al fotn en B, por medio del canal de entrelazamiento, recreando de tal manera al tercer fotn en el sitio lejano. Anton Zeilinger (el del cuestionario cuntico) y sus colegas demostraron la teletransportacin de un fotn en el laboratorio en 1997, y en 2012 reportaron haber teletransportado fotones en distancias mayores a 143 kilmetros.Un ordenador cuntico tendra el poder de todas las supercomputadoras convencionales del mundoEl secreto cuntico

Estos efectos van ms all de la ciencia ficcin cuando los fotones polarizados se controlan como qubits en la criptografa cuntica, mtodo diseado para transmitir informacin de modo seguro por medio de una red de fibra ptica. En 1984, Charles Bennett y Gilles Brassard inventaron la distribucin de la llave cuntica. Como la combinacin de un candado, la llave es un largo hilo de bits que conforman la contrasea secreta para acceder a un complejo de algoritmos que codifican y decodifican informacin. El cdigo es indescifrable sin la llave, pero esta, a su vez, debe ser difundida del transmisor al receptor cuando corre el riesgo de ser leda por un tercero.Bennett y Brassard mostraron cmo poda evitarse esa vulnerabilidad en la seguridad usando la aleatoriedad cuntica de los qubits de fotones, para crear un nico y azaroso hilo de bits que funcionara como una codificada llave secreta basada en el entrelazamiento de fotones. Las llaves cunticas se han usado para asegurar transferencias bancarias y resultados electorales en Suiza. An no son comunes.Rareza cuntica de tamao completo

Es posible que jams seamos capaces de teletransportar gente o grandes objetos, pero en 2011, Ian Walmsley, de la Universidad de Oxford, y sus colegas entrelazaron objetos macroscpicos visibles para el ojo humano: dos diamantes, cada uno de tres milmetros de largo.Los tomos en slidos cristalinos, como los diamantes, vibran a energas cunticas, las cuales se encuentran en cantidades inusuales en los tomos de carbono de losdiamantes. En el experimento, estos efectos exteriores se mantuvieron al margen lo suficiente como para preservar los estados cunticos y permitirles a los investigadores enlazar los diamantes a distancias de hasta 15 centmetros. Este es un paso en la creciente extraeza cuntica para llegar a un punto en el cual sea ms fcil examinarla y comprenderla.La idea de Max Planck en 1900 comenz un viaje desde el mundo ordinario hacia el mundo submicroscpico. Aunque an no comprendemos por completo la teora cuntica, ilumina este mundo y hace que la tecnologa avance. Con resultados como los del experimento de los diamantes, continuamos el viaje trayendo el universo submicroscpico al mundo que ocupamos. Planck, Einstein y Bohr estaran hoy completamente fascinados.