5 conceptos pueden ayudarte a entender la mecánica cuántica y la tecnología, ¡sin matemáticas!

Si has oído hablar de la mecánica cuántica o has leído sobre ella, es posible que la hayas visto descrita como «rara». Incluso el gran Albert Einstein -uno de los fundadores de la mecánica cuántica- calificó ciertos aspectos de la teoría de «espeluznantes».

Con sus partículas similares a ondas y sus ondas similares a partículas, la mecánica cuántica desafía ciertamente nuestras intuiciones sobre el funcionamiento del mundo. Aceptar lo que nos resulta contraintuitivo -al tiempo que nos esforzamos por aprender más- ¡es una parte muy importante de la ciencia!

La cuántica puede parecer intimidatoria porque trata de la naturaleza granular y difusa del universo y del comportamiento físico de sus partículas más diminutas, que no podemos ver con nuestros ojos. Que no hayamos experimentado el mundo de la cuántica del mismo modo que podemos ver los efectos de la gravedad no significa que la cuántica tenga que ser «rara» o «espeluznante».

Puede que los fundadores de la mecánica cuántica pensaran que era «rara» porque era diferente de la física a la que estaban acostumbrados. Pero eso fue hace más de 100 años. ¡La cuántica es como es!

Me apasiona dar la vuelta al guión de la cuántica y hacerla accesible a todos.

En esta entrada del blog, intentaré normalizar la mecánica cuántica estableciendo analogías con conceptos que quizá ya conozcas y comprendas.

También intentaré explicar las cinco cosas que he observado que confunden a la gente sobre la mecánica cuántica. (No te preocupes; ¡no se necesitarán matemáticas!) Probablemente no necesites comprender la mecánica cuántica en profundidad, pero espero que esto te ayude a pensar en ella y en cómo se aplica a tu vida.

El Maravilloso Mundo de la Cuántica

Cuando te acercas a la materia a escala cuántica, la naturaleza se vuelve granular. A esta escala, encontramos partículas diminutas como:

• Fotones: partículas de luz que no tienen masa ni carga.
• Electrones: partículas subatómicas que componen el átomo, transportan electricidad y tienen carga y masa.
• Quarks: los bloques de construcción de protones y neutrones.

Alternativamente, puedes pensar en la materia como en una imagen digital: Si te acercas lo suficiente a una imagen, empiezas a ver que está hecha de píxeles individuales.

La física clásica rige el movimiento de las cosas que podemos ver, como las pelotas de béisbol y los planetas. La física cuántica es un mundo que no podemos ver fácilmente. Si alguna parte de la cuántica es sustancialmente diferente de la física clásica, es que la física a escala cuántica no sólo es granular, sino también «difusa».

Cuando hacemos zoom en una imagen, un píxel parece tener un límite bien definido, ¿o no? Si pudieras acercarte a los átomos y partículas subatómicas que componen el píxel, verías que las partículas subatómicas no están bien definidas. Sus límites y su comportamiento son algo confusos. Esto es similar a dibujar una línea «perfecta» con un lápiz y una regla. Si observaras esa línea con un microscopio, los bordes parecerían más tambaleantes que rectos.

La falta de claridad de la mecánica cuántica crea comportamientos singulares. Las consecuencias de estos comportamientos dejaron perplejos a los físicos que fueron los primeros en intentar comprender la mecánica cuántica. Estos comportamientos son:

1. Dualidad onda-partícula: Las partículas diminutas parecen comportarse como ondas o como partículas, según cómo las observes.
2. Superposición: En el mundo cuántico, las partículas pueden existir en varios estados a la vez.
3. El principio de incertidumbre de Heisenberg: La naturaleza impone un límite fundamental a la precisión con la que puedes medir algo. (No puedes medir ciertos pares de propiedades al mismo tiempo con una precisión ilimitada).
4. Enredo: Dos cosas pueden estar tan interconectadas que se influyan mutuamente, independientemente de la distancia que las separe.
5. Gira: El espín es una característica fundamental de las partículas elementales. Al igual que la masa o la carga, el espín determina el comportamiento de una partícula y su interacción con otras partículas.

Discutiré cómo estos comportamientos son fundamentales para las tecnologías cuánticas emergentes, como la informática cuántica y la criptografía cuántica, y cómo se manifiestan de formas fantásticas en el mundo natural.

Dualidad onda-partícula

La difuminación a nivel granular se produce porque estas diminutas partículas actúan un poco como ondas (similares a las ondas de agua y a las ondas de radio). Recuerda la definición de dualidad onda-partícula: Las partículas diminutas como los electrones y los fotones pueden parecer que se comportan como ondas o como partículas, dependiendo de cómo las observes. Las propiedades ondulatorias de las partículas a nivel cuántico son como las ondas del agua; pueden interferir entre sí, dando lugar a «ondulaciones». Las ondulaciones nos permiten predecir el comportamiento de las partículas (dónde es más probable que se encuentren, qué energía es probable que tengan y cómo interactuarán con otras partículas).

Toma como ejemplo la luz.

Cuando la luz atraviesa las gotas de agua, la luz puede actuar como ondas que forman los bellos dibujos de un arco iris.

En cambio, cuando la luz choca contra un panel solar, se comporta como una partícula. Como observamos que la energía de los fotones se deposita en trozos (como una bola sólida que choca contra una pantalla), percibimos que se comportan como partículas.

Superposición

Para comprender mejor los estados energéticos de las partículas, puedo establecer una analogía con los instrumentos musicales. Los instrumentos tienen muchas notas (tonos, vibraciones o frecuencias) que pueden hacer sonar. Cuando añades energía a un átomo, por ejemplo, puedes excitar la nube de electrones que lo rodea, como si golpearas un tambor. Del mismo modo que un instrumento musical puede sonar en múltiples tonos debido a la estructura mecánica del tambor, la superposición permite que las partículas existan en múltiples «estados» al mismo tiempo. Esto se debe a la fuerza o «tensión» que crea el núcleo sobre la nube de electrones.

La superposición en acción

La superposición es extremadamente útil en las tecnologías cuánticas. Por ejemplo, la superposición se utiliza para hacer oscilar los átomos en los relojes atómicos. También es importante señalar que los físicos tienen bastante control sobre la superposición en sistemas bien controlados como los relojes atómicos. Los físicos pueden controlar el átomo para que esté en un estado electrónico u otro. O pueden crear una superposición de ambos estados.

Puedes imaginar la superposición como algo similar a un péndulo que oscila entre dos posiciones (una en el extremo izquierdo y otra en el extremo derecho). Cuando oscila, el péndulo no está en ninguna de las dos posiciones, sino que oscila de una posición a otra. El «vaivén» entre las plataformas es la oscilación que forma la señal del reloj, igual que la oscilación de un péndulo, ¡pero mucho más rápido!

Principio de incertidumbre de Heisenberg en la medición

La noción de incertidumbre existe para las mediciones de todos los sistemas físicos, pero se hace realmente evidente a escala cuántica.

Cuando intentas medir el estado de cualquier sistema, inevitablemente lo perturbas en algún nivel. ¿Por qué? Porque para observarlo, normalmente necesitas interactuar con él utilizando algún tipo de sonda.

Por ejemplo, utilizamos los fotones que rebotan en los objetos para verlos con nuestros ojos, una forma de medición que nos permite juzgar la posición, el movimiento y el tamaño de un objeto. La luz que rebota en un rascacielos no tiene energía suficiente para perturbarlo significativamente. Pero si el rascacielos fuera tan pequeño como un electrón, la energía podría llegar a ser lo suficientemente comparable a la del rascacielos como para perturbar significativamente su estado.

Esto forma parte de la esencia del principio de incertidumbre de Heisenberg, que dice que el acto de medición perturba el estado cuántico del objeto. Como consecuencia, existen límites a la precisión con la que pueden conocerse simultáneamente determinados pares de propiedades, como la posición y el momento y el tiempo y la energía.

Enredo

El entrelazamiento cuántico se produce cuando los estados cuánticos de dos o más partículas se correlacionan fuertemente. Esto significa que el estado de una partícula puede influir instantáneamente en el estado de la otra, independientemente de la distancia. Una analogía habitual para entender la correlación es pensar en dos fotones entrelazados como dos monedas que siempre caen del mismo modo al lanzarlas.

En la distribución de claves cuánticas (QKD), los fotones entrelazados se utilizan para intercambiar claves criptográficas de forma segura (como en las transacciones financieras de los bancos o los mensajes militares ultrasecretos). Si un fisgón intenta interceptar los fotones, el acto de medirlos perturba su estado cuántico, provocando un cambio detectable en la correlación entre los fotones. Esta perturbación alerta a las partes comunicantes de la presencia de un fisgón, garantizando la seguridad del intercambio de claves.

El entrelazamiento en acción: comunicación y computación cuánticas

El entrelazamiento y la superposición se utilizan en muchas de las tecnologías cuánticas más recientes que se están desarrollando hoy en día, como las redes cuánticas, la comunicación cuántica y la informática cuántica. Los bits cuánticos, o qubits, que están entrelazados entre sí tienen una «ventaja cuántica» potencial que puede permitirles resolver algunos cálculos mucho más rápido que los ordenadores clásicos y que permite mejorar exponencialmente la potencia de cálculo con el número de qubits.

Gira

Mientras que la dualidad onda-partícula, la superposición, el principio de incertidumbre de Heisenberg y el entrelazamiento son manifestaciones del hecho de que los sistemas cuánticos tienen un comportamiento ondulatorio, el espín se sale por sí solo.

Aunque está profundamente asociado a la mecánica cuántica, el espín no es más que una característica que tiene una partícula cuando se crea, similar a la masa y la carga. A pesar de su nombre, el término «espín» no significa que la partícula esté girando realmente.

El espín de los electrones, neutrones y protones que componen un átomo hace posible que formen estructuras estables, como los elementos, los planetas y nuestros cuerpos. Tu propio cuerpo y cualquier cosa con la que interactúes en el mundo físico existe en su forma actual porque el espín da volumen a las partículas. Los electrones no pueden ocupar el mismo espacio debido a su espín determinado. Esto es lo que da volumen a la materia.

Los fotones tienen un espín distinto al de los electrones, protones y neutrones, lo que les permite ocupar el mismo espacio. Esto confiere a los fotones unas cualidades extraordinarias. Si te has fijado, puedes sentir el calor de la luz y puedes verla, pero no puedes sostenerla ni tocarla como puedes sostener cosas hechas de materia, como lápices, mesas y animales domésticos.

Spin en acción: láseres

El hecho de que los fotones puedan ocupar el mismo espacio es responsable de la asombrosa utilidad del láser. En los láseres, todos los fotones pueden superponerse perfectamente entre sí, de modo que todos los picos y valles de las ondas luminosas están perfectamente alineados y se suman. Esto permite a los láseres crear algo parecido a una superonda, de modo que todos los fotones trabajan juntos en el mismo espacio y al mismo tiempo. Esto permite a los láseres cortar metal, aunque funcionen con potencias similares a las de una bombilla.

Hacer que Quantum sea accesible para todos

Me apasiona profundamente hacer que la mecánica cuántica y la tecnología cuántica sean accesibles al público porque preveo un futuro en el que las aplicaciones de estas tecnologías reflejen las diversas voces de todos los grupos demográficos.

El impacto de la tecnología y la informática cuánticas será profundo. La cuántica puede aportarnos sistemas de comunicación más seguros, resolver problemas como la forma de diseñar mejores medicamentos y mucho más. Es crucial que todo el mundo tenga un papel en la configuración de cómo evolucionan estas innovaciones para beneficiar a la humanidad y al planeta.

Este artículo se publicó primero en el sitio web del NIST

Tara Fortier es física y jefa de proyecto en la División de Tiempo y Frecuencia del NIST.

Crédito de la imagen destacada: R. Wilson/NIST.