LA FÍSICA CUÁNTICA

LA FÍSICA CUÁNTICA, PARA ENTENDERLA POR FIN

Sidney Perkowitz, el autor de este artículo es profesor emérito de Física en la Universidad Emory. Algunos de sus libros son Slow Light y Hollywood Chemistry. (Artículo publicado en la revista QUO)

- Lo cuántico: entre la ciencia y la mística

Aunque no podemos observar directamente a los átomos, quarks o fotones, su comportamiento revela que aún sabemos muy poco sobre la naturaleza profunda del universo. La teoría cuántica, que describe el mundo subatómico, ha dejado de ser una rareza confinada a laboratorios: hoy está presente en nuestros teléfonos móviles, en los sistemas de seguridad de nuestras tarjetas de crédito y en tecnologías cotidianas que usamos sin saberlo.

Curiosamente, el término “cuántico” ha trascendido su significado científico. Lo encontramos en expresiones como “sanación cuántica” o “políticas cuánticas”, donde su uso suele ser más simbólico que técnico. Esto demuestra que lo cuántico ha adquirido una dimensión casi mística, evocando lo invisible, lo complejo y lo potencialmente transformador.

- Un universo de paradojas

La mecánica cuántica nació para resolver un problema físico, pero más de un siglo después sigue envuelta en misterio. Predice fenómenos que desafían la lógica clásica:

• Superposición: una partícula puede tener múltiples estados simultáneamente.

• Entrelazamiento: dos partículas pueden permanecer conectadas sin importar la distancia.

• Teletransportación cuántica: la información de una partícula puede transferirse instantáneamente a otra.

Estas ideas, aunque extrañas, han sido confirmadas experimentalmente y forman la base de tecnologías emergentes.

- ¿Qué tan bien entendemos la teoría cuántica?

En 2011, el físico Anton Zeilinger encuestó a más de 30 expertos en teoría cuántica. Las respuestas fueron sorprendentemente diversas: no hubo consenso sobre conceptos fundamentales. Charles Clark, del Joint Quantum Institute, señaló que “ubicar dónde está el problema” es en sí un gran desafío. Parte de la dificultad radica en que la teoría describe fenómenos que no podemos experimentar directamente: no se puede patear un quark ni lanzar un fotón.

- El origen: una idea desesperada

En 1900, Max Planck propuso que la luz se emite en paquetes discretos de energía llamados “cuantos”. Lo hizo como último recurso para resolver una contradicción entre teoría y observación sobre el espectro de luz emitido por cuerpos calientes. Su “truco matemático” funcionó, y le valió el Premio Nobel en 1918.

Einstein amplió esta idea al demostrar que la luz está compuesta por fotones, y Niels Bohr explicó cómo los electrones absorben o emiten estos fotones al saltar entre niveles de energía. Así nació la física cuántica moderna.

- Saltos cuánticos en la vida cotidiana

Aunque el término “salto cuántico” se usa popularmente para describir grandes cambios, en realidad se refiere a minúsculas transiciones de energía dentro de los átomos. Estos saltos están presentes en:

• Tubos de neón: el voltaje excita los electrones del gas, que al regresar a su estado original emiten luz.

• Lámparas fluorescentes: los fotones ultravioletas activan un revestimiento que produce luz blanca.

• Láseres: los fotones rebotan entre espejos, estimulando otros fotones y generando un rayo coherente.

• LEDs: los electrones saltan una brecha energética y emiten luz al regresar.

• Circuitos digitales: los semiconductores controlan el flujo de electrones gracias a propiedades cuánticas.

- ¿Dios juega a los dados?

Einstein se resistía a aceptar el carácter probabilístico de la mecánica cuántica, como expresó en su célebre frase: “Dios no juega a los dados con el universo”. Sin embargo, la teoría cuántica no predice valores exactos, sino probabilidades.

Un ejemplo es el “giro” del electrón, que puede estar apuntando hacia arriba (U) o hacia abajo (D), pero en superposición está en ambos estados a la vez. El famoso experimento mental del “gato de Schrödinger” ilustra esta paradoja: el gato está vivo y muerto simultáneamente hasta que se observa.

- Qubits: el futuro de la computación

La superposición permite que un sistema represente múltiples estados al mismo tiempo. Esta es la base del qubit, el bit cuántico. Mientras dos bits clásicos representan uno de cuatro valores posibles, dos qubits pueden representar los cuatro simultáneamente. Con 20 qubits, se puede manejar 20 millones de veces más información que con 20 bits.

Una computadora cuántica con 150–300 qubits podría superar a todas las supercomputadoras actuales. Laboratorios como el Joint Quantum Institute trabajan en esta tecnología, que también promete revolucionar las telecomunicaciones mediante redes de fotones entrelazados.

- El reto: mantener la coherencia

Para que los qubits funcionen, deben mantenerse en superposición, lo que requiere aislar las partículas del entorno y mantenerlas a temperaturas extremadamente bajas. Aunque aún estamos lejos de tener computadoras cuánticas plenamente funcionales, ya existen prototipos que utilizan unos pocos qubits para resolver problemas específicos. También se están desarrollando sistemas de comunicación ultra seguros basados en el entrelazamiento cuántico.