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¿Qué es la mecánica cuántica y por que está de moda?

La mecánica cuántica se asocia tradicionalmente con el mundo microscópico, es la física de las moléculas, los átomos y las partículas subatómicas, es un «mundo» gobernado por extrañas propiedades que se desvanecen en sistemas de gran tamaño, aunque esto no obedece a una simple cuestión de escala.

Cuanto más se estudian estos comportamientos más aparecen los efectos cuánticos en un número cada vez mayor de sistemas «Escala humana».

El entrelazamiento por ejemplo puede tener lugar tanto a temperaturas elevadas como en sistemas de gran tamaño, incluidos los seres vivos.

En algún punto entre las moléculas y los objetos «escala humana» se hallaría la frontera donde cesa el comportamiento cuántico y comienza lo clásico.

Es decir, la mecánica cuántica proporciona una herramienta teórica para entender el universo a las escalas más diminutas y la física clásica se ocupa de las escalas mayores.

Todo esto se ha venido abajo con los últimos estudios, puede que los efectos cuánticos resulten difíciles de observar en el mundo macroscópico, pero la razón no tiene que ver con el tamaño en sí, sino con la manera en que los sistemas cuánticos interaccionan unos con otros.

Hasta el pasado decenio no se había confirmado de manera experimental la persistencia del comportamiento cuántico a escalas macroscópicas, pero hoy se hace de manera rutinaria. No podemos observarlos directamente, pero el comportamiento de átomos, quarks, fotones y todo aquello que compone la realidad a una escala menor confirma que aún no sabemos gran cosa del universo.

La teoría cuántica ahora invade nuestras vidas y se encuentra en el teléfono inteligente que llevamos en nuestro bolsillo o en el número de la tarjeta de crédito.

Cuántico se ha convertido en una palabra de moda, lo “cuántico” va más allá de lo científico.

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.

Max Planck propuso su teoría cuántica en 1900 dando respuesta a la naturaleza de la luz emitida por una llama o cualquier otro cuerpo caliente.

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.

Años después, Albert Einstein y Niels Bohr obtuvieron sus propios premios Nobel ampliando el trabajo de Planck.

Einstein mostró que la luz viene en discretos paquetes de energía llamados fotones, y Bohr planteó que los electrones en un átomo absorben o emiten fotones al tiempo que saltan entre niveles de energía cuántica.

Saltos cuánticos

Siempre que veas brillar el anuncio de neón, un fluorescente, luces led o el escáner laser de un código de barras, mira detenidamente: estás observando saltos cuánticos eléctricos en acción a través de la emisión de la luz.

Una luz de neón es un tubo de cristal relleno con gas neón que brilla cuando se le aplica un voltaje. Funciona porque el voltaje eleva a los electrones de los átomos del gas a un nivel más alto de energía; después, los electrones descienden a niveles más bajos y sueltan fotones. Los gases poseen diferentes niveles de energía atómica, y estos niveles definen las longitudes de onda del fotón. El neón produce luz roja, el argón genera luz azul….

En un tubo fluorescente, 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 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.

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.

Otro entorno en el que el comportamiento cuántico es crucial es 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.

La superposición, el entrelazamiento y la teletransportación se oponen a nuestro entendimiento del universo porque la teoría cuántica no predice valores definitivos para las propiedades físicas, sino solo probabilidades.

El experimento del “gato de Schrödinger” ilustra esta naturaleza, el gato está muerto o vivo dependiendo de un evento aleatorio y, por tanto, puede describirse en ambos estados a la vez.

Los circuitos integrados en los aparatos digitales representan bits binarios en pequeños interruptores electrónicos que se encienden o apagan representando valores de 0 y 1. En un sistema cuántico pueden representar 0 y 1 simultáneamente.

Esta es la innovación del qubit. Para explicarlo pensemos que dos bits ordinarios representan solo uno de los números decimales 0, 1, 2, 3… pero dos qubits representan los cuatro números al mismo tiempo. De esta forma 20 qubits cargan 20 millones más de veces la información que 20 bits.

Estamos en la era de la computadora “cuántica”.

Muchos de laboratorios trabajan proyectos para usar qubits en la informática y las telecomunicaciones, pero 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.

Todavía queda camino hasta que veamos la supercomputadora de 150 qubits.

Los qubits de fotones también se están utilizando para realizar transmisiones de información más seguras por medio de las aplicaciones del entrelazado.

El entrelazado de los fotones se demostró en el laboratorio en 1982, puede operar en distancias de hasta 144 kilómetros de espacio vacío y cualquier información transmitida entre los fotones viaja 10.000 veces más deprisa que la luz y es posible que de forma instantánea. Esto contraviene los resultados de la relatividad de Einstein, que dice que nada puede viajar más rápido que la luz.

La transmisión instantánea nos hará volver a considerar por completo nuestras nociones de tiempo y espacio.

La teletransportación de Star Treck tiene su origen en la mecánica cuantica, ese medio de transporte en que una persona o un objeto es replicado en otra parte mientras desaparece de su ubicación original.

En 1993, Charles Bennett de IBM mostraron la teoría y Anton Zeilinger en 2012 reportó haber teletransportado fotones en distancias mayores a 143 kilómetros.

En 2011 Ian Walmsley y sus colegas de la Universidad de Oxford 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 y estos hace que los 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.

Estamos solo rayando la superficie, no sabemos nada y debemos replantearnos todo.

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