Descifrando la superposición y el entrelazamiento en la teoría cuántica
Desde computadoras ultrarrápidas hasta imágenes cerebrales de última generación, qué promete la revolución cuántica que ya comenzó
¿Vivo o muerto? El famoso gato de Schrödinger en el Día Mundial de la Cuántica. Crédito: Getty Images
Han pasado 100 años desde que los físicos Erwin Schrödinger y Werner Heisenberg hicieron añicos nuestra comprensión del universo.
En lugar de un mundo regido por la certeza, donde todo era definido y preciso, la teoría que desarrollaron describía un mundo difuso e incierto.
Afirmaron que a nivel microscópico, los átomos se comportan de manera impredecible.
Las partículas pueden existir en varios lugares a la vez y atravesar las barreras de energía como fantasmas que se desplazan a través de paredes sólidas.
Bienvenidos a la mecánica cuántica.
Aunque inicialmente se vio como extraña y desconcertante, la mecánica cuántica ahora es universalmente aceptada como la mejor descripción del mundo subatómico.
Y aceptar su borrosidad nos ha llevado a una comprensión mucho mejor de los componentes básicos del universo.
Sin esta comprensión, nunca habríamos desarrollado el chip de silicio, el láser o el teléfono inteligente.
El desarrollo de la tecnología cuántica tiene ahora el potencial de transformar nuestras vidas aún más.
Aquí y allá, a la vez
Para entender cómo, tenemos que comprender dos de las ideas más contraintuitivas, algunos podrían decir que, hasta locas, sobre el comportamiento del mundo cuántico: la superposición y el entrelazamiento.
La superposición describe la capacidad de partículas como electrones, fotones o átomos para estar en dos lugares a la vez, o moverse en dos direcciones diferentes al mismo tiempo.
A nuestra escala cotidiana, los objetos existen en un estado definido a la vez.
Sin embargo, en el mundo cuántico microscópico, no podemos saber cuál es el estado de una partícula hasta que la observamos, pero al observarla, imponemos nuestra certeza cotidiana sobre ella, lo que hace que su estado cuántico “colapse” en un solo estado definido.
¿Confuso?
Quizás un experimento mental ideado por Schrödinger pueda aclarar el concepto.
Schrödinger se preguntó qué pasaría si un gato estuviera encerrado en una caja con una sustancia radiactiva que lo mataría si liberaba una partícula.
Pero la mecánica cuántica nos dice que debemos describir la partícula como si hubiera sido liberada y no liberada al mismo tiempo.
Existe en una superposición cuántica.
Dado que el estado del gato se basa en ese evento cuántico que ha sucedido y no ha sucedido, debe estar vivo y muerto simultáneamente.
Solo cuando abrimos la caja para mirar, lo obligamos a “elegir” la vida o la muerte.
Lo extraño es que sabemos que esto que es cierto para los átomos, pero nunca sucede con los gatos reales, a pesar de que los gatos están hechos de átomos.
Un vínculo estrecho
El segundo comportamiento alucinante observado en este mundo microscópico es el entrelazamiento cuántico.
2 o más partículas se unen de una manera que la física clásica no puede explicar.
Por ejemplo, toma dos partículas separadas pero entrelazadas -A y B-.
Cada una estará girando tanto en el sentido de las agujas del reloj y en el sentido contrario a las agujas del reloj al mismo tiempo, en una superposición.
Pero si observas a la partícula A, la fuerzas a entrar en un único estado, es decir, que la obligas a girar, por ejemplo, solamente en el sentido de las agujas del reloj.
Eso hará que la partícula B gire en la dirección opuesta, y solo en esa dirección.
La superposición de B colapsará cuando observemos A.
En principio, esto ocurre incluso si una de las partículas está en Marte y la otra en la Tierra.
Este fenómeno es tan extraño que provocó el rechazo de Albert Einstein, quien lo describió como una “espeluznante acción a distancia”.
Próximamente…
El objetivo de la tecnología cuántica es hacer que las cosas grandes, como el procesador de una computadora, se comporten como un pequeño objeto cuántico.
Los extraños y maravillosos conceptos de entrelazamiento y superposición son cruciales en el desarrollo de nuevas tecnologías cuánticas.
Las computadoras cuánticas resuelven problemas complejos a un ritmo enormemente más rápido que las más potentes de las convencionales.
En lugar de utilizar el sistema binario clásico de bits -0 y 1-, los ordenadores cuánticos utilizan cúbits, es decir, bits cuánticos que pueden existir en una superposición de estados 0 y 1 simultáneamente.
Las computadoras cuánticas pueden encontrar fácilmente la ruta más eficiente a través de múltiples destinos o analizar mercados financieros altamente complejos.
Los científicos creen que el poder de la computación cuántica podría revolucionar muchas industrias, ayudarnos a abordar el cambio climático e incluso descubrir nuevos tratamientos farmacológicos.
Junto con la computación cuántica, existe la posibilidad de desarrollar la detección cuántica.
Se trata de sensores ópticos o magnéticos increíblemente delicados que pueden utilizarse para una amplia gama de aplicaciones, desde alertas tempranas de terremotos o erupciones volcánicas, hasta imágenes cerebrales que podrían proporcionar información innovadora para combatir la demencia.
Luego tenemos la comunicación cuántica, o encriptada, que revolucionará la seguridad informática.
En este momento, cuando pagamos en línea, sabemos que los métodos de cifrado actuales hacen que nuestros datos estén relativamente seguros.
Pero las computadoras cuánticas podrán invalidar fácilmente los sistemas actuales.
Afortunadamente, también estamos desarrollando lo que se llama cifrado cuántico, que utiliza los conceptos de superposición y entrelazamiento.
Esto significará que cuando dos personas intercambien mensajes, pueden estar seguras de que si alguien intenta “espiar” la información, la superposición colapsará, afectando los intercambios y alertándolos de cualquier posible interceptación.
La computación cuántica, la detección cuántica y el cifrado cuántico ya están en camino: la revolución cuántica ya comenzó.
Así que, aunque no sepamos si el gato de Schrödinger está vivo o muerto, o ambos, aprovechar las maravillosas y misteriosas propiedades del mundo cuántico promete impulsar nuestro futuro.
*Jim Al-Khalili es físico teórico, profesor de Física en la Universidad de Surrey, en Reino Unido. Es el conductor del programa The Life Scientific, en BBC Radio 4.
Si quieres ver el video “A guide to quantum tech (you’ll actually understand!)”de BBC Ideas, haz clic aquí.
Este artículo fue publicado originalmente en mayo de 2024 y actualizado con motivo del Día Mundial de la Cuántica.
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