Mecánica cuántica

Breve listado de conceptos asociados a la mecánica cuántica: por un lado, dualidad onda-partícula, superposición, incertidumbre y entrelazamiento; por otro, electrónica, informática, supremacía y teleportación cuánticas.

Dualidad onda-partícula              

El físico alemán Max Plank (Premio Nobel 1918) estudió por qué los objetos cambian de color al calentarse y confirmó que la luz se comporta como una onda. Estableció en 1900 la constante de Plank o cuanto de acción: al poner en común la energía y el tiempo en un proceso físico, sólo se dan valores múltiplos de esa constante. Así sentó las bases teóricas de la mecánica cuántica.

El físico alemán Albert Einstein (Premio Nobel 1921) recogió el guante en 1910 y vio que la luz se puede comportar como una onda pero también como una partícula, a trozos, a “cuantos”: fotones cuya radiación ocupa lugares concretos.

En 1913, el físico danés Niels Bohr (Premio Nobel 1922) explicó las propiedades de los átomos mediante la mecánica cuántica: los electrones giran en torno al núcleo sólo en ciertas órbitas concretas. En 1924, el físico francés Louis de Broglie (Premio Nobel 1929) propuso que los electrones orbitan porque se comportan también como ondas, estableciendo la dualidad onda-partícula. El físico austriaco Erwin Schrodinger (Premio Nobel 1933 con Paul Dirac) sentó en 1926 las bases matemáticas de la mecánica cuántica, unificando el comportamiento onda-partícula.

Superposición cuántica

El experimento de la doble ranura, diseñado en 1801 por el físico inglés Thomas Young, demostró el comportamiento de la luz como onda. En 1961 se utilizó con electrones para comprobar la dualidad onda-partícula. Un haz de electrones choca contra una pantalla que tiene dos ranuras paralelas, y después contra otra pantalla. Cuando la luz está encendida, los electrones chocan contra la segunda pantalla como lo haría cualquier objeto (partícula). Pero si se apaga la luz, el patrón de choque es distinto, comportándose como ondas. No sabemos dónde está la partícula al atravesar las ranuras.

Es decir: cuando observamos, el comportamiento es distinto a cuando no lo hacemos. Porque para observar hay que iluminar, es decir, lanzar fotones. Los fotones hacen que los electrones se comporten como partículas. Cuando la luz está apagada, los electrones no tienen una posición definida, sino que están a la vez en varias. Eso es la superposición cuántica.

Una derivación de la superposición es la física poscausal. Dos eventos cuánticos pueden suceder en un orden causal indefinido en el que las afirmaciones “A causa B” y “B causa A” son ciertas al mismo tiempo. En 2017, Giulia Rubino, de la Universidad de Bristol, demostró experimentalmente la existencia del conmutador cuántico, lo cual lleva a replantearse la flecha del tiempo a escalas subatómicas.

Principio de incertidumbre

El físico alemán Werner Heisenberg (Premio Nobel 1932) formuló en 1927 el principio de incertidumbre. La física clásica supone que se puede determinar tanto la posición como la velocidad de las partículas. Sin embargo, los objetos cuánticos son y hacen varias cosas al mismo tiempo, existen a la vez en todos sus posibles estados teóricos. Cuando los medimos, interactuamos con ellos y sólo obtenemos uno de esos estados (problema de la medida).

No es posible atribuir una trayectoria a una partícula. Sólo podemos decir que hay una determinada probabilidad de que esa partícula esté en un lugar en un momento dado. El principio de incertidumbre, comprobado experimentalmente, es inherente a las partículas subatómicas y se refiere a su comportamiento, no a la imposibilidad de medirlo.

El gato de Schrodinger (1935), es un planteamiento metafórico. En este experimento teórico, el animal permanece en una caja donde se le administrará o no un veneno según el comportamiento aleatorio de un átomo radiactivo. Mientras no abramos la caja, el gato está a la vez vivo y muerto. Esta paradoja fue creada para criticar el principio de incertidumbre, pero lo ilustra bien, así como el de la superposición cuántica y el problema de la medida.

Entrelazamiento cuántico

Según los cálculos matemáticos, cuando dos partículas están entrelazadas, formando un sistema único en el que ninguna de ellas tiene un estado cuántico propio, si se separan, al medir una se confiere un estado cuántico concreto a las dos. Einstein dijo en 1935 que eso era imposible (paradoja Einstein-Podolsky-Rosen), porque contradice la teoría de la Relatividad: el estado de la segunda partícula tenía que haber existido con anterioridad, así que en la mecánica cuántica algo faltaba.

Schrodinger puso nombre al fenómeno: entrelazamiento, que además con el paso de los años fue comprobándose, sin recurrir a la lógica de la física clásica que predecía que faltaba algo. En 1964, el físico irlandés John Bell demostró con su teorema de la desigualdad que no existe una explicación lógica para el entrelazamiento. Así, la controversia podría resolverse haciendo un experimento.

Uno de los que lo realizó fue el físico francés Alain Aspect, en 1983. Produjo pares de fotones lanzados en direcciones opuestas. Interactuó en uno de ellos y comprobó que se comportaban como un único objeto. Se creó una “inquietante acción a distancia”, según la frase de Einstein, que supera el límite de la velocidad de la luz.

Así pues, la teoría cuántica está de acuerdo con su observación experimental. “Dios no juega a los dados”, fue la metáfora de Einstein en 1926 en el debate sobre el azar subatómico. Sin embargo, “sí que juega”: la mecánica cuántica define teórica y prácticamente hechos contraintuitivos pero reales.

Primera revolución cuántica (siglo XX). Electrónica

El rayo láser (1960) es una aplicación práctica de la mecánica cuántica: al hacer interactuar a electrones con fotones se consigue un haz de luz concentrado. El procedimiento es la emisión estimulada (electrónica cuántica): se aplica energía a los átomos, haciendo que los electrones salten a órbitas exteriores; los átomos liberan energía en forma de luz al volver a su estado estable.

Otras aplicaciones de la primera revolución cuántica fueron los transistores, los microprocesadores y la resonancia magnética.

Segunda revolución cuántica (siglo XXI). Informática

La información está siempre en un elemento físico: se transmite mediante gestos, sonido, escritura, datos informáticos… La superposición y el entrelazamiento son susceptibles de controlarse: la física cuántica proporciona un nuevo mecanismo para procesar y comunicar información.

La información clásica tiene como unidad fundamental el bit, que significa que un sistema físico puede tener dos estados: está encendido o apagado, cargado o descargado, o aquí o allí. En términos matemáticos, un cero o un uno. La información cuántica tiene como unidad fundamental el bit cuántico o cúbit. Los cúbits pueden ser cero y uno al mismo tiempo. Esto hace que la informática cuántica sea superior a la clásica, porque el estado cuántico de la memoria de un ordenador cuántico contiene mucha más información.

Un ordenador cuántico puede simular la mecánica cuántica, para manipular los átomos reales y crear nueva tecnología, nueva medicina, etc. También puede proveer mediante sensores avanzados la detección de elementos químicos dañinos (mercurio, plomo) y objetos enterrados. Y además es capaz de decodificar claves encriptadas de satélites, bancos, etc., aunque mediante criptografía cuántica también se pueden crear nuevas claves encriptadas desencriptables. El ordenador debe estar completamente aislado, porque un sistema cuántico deja de serlo cuando vierte información sobre sí mismo (decoherencia cuántica). Así, hay que evitar que interactúe con el polvo, los campos magnéticos, las radiaciones de fondo, etc.

Supremacía cuántica

El momento en que los ordenadores cuánticos logran resultados que los clásicos no pueden es llamado supremacía cuántica, y fue anunciada por la compañía Google en 2019. A partir de 2020, la Universidad china fue incrementando los niveles de computación cuántica, colocándose en vanguardia. En 2021, el anuncio corrió por cuenta de IBM. Mientras tanto, Estados Unidos, Canadá, Israel, Alemania y España están avanzando en 2022 en la fabricación de sus propios ordenadores cuánticos.

Una vez alcanzada la supremacía, el problema es retrasar la decoherencia para mantener el estado cuántico de los ordenadores el mayor tiempo posible. Una mejora en ese sentido es la implantación de los cútrits, que añaden un tercer estado a los cúbits.

Teleportación cuántica

La teleportación cuántica no traslada materia de un punto a otro, sino información cuántica. Utiliza el entrelazamiento de dos fotones para transmitir información de uno al otro. El equipo del físico austríaco Anton Zeilinger la experimentó en 2004 bajo el Danubio en Viena: dos fotones entrelazados fueron separados 600 metros. El segundo se entrelazó con un tercero, cuyas propiedades se transfirieron al primero.

Esto tiene aplicaciones en los satélites, estableciendo la comunicación cuántica a escala mundial: en 2017 se logró la teleportación cuántica de fotones desde el desierto de Gobi (China) hasta un satélite situado a 1.200 km. Fue un primer paso para la implantación del internet cuántico y quizás también servirá para transportar la energía en el futuro.