La física cuántica es el conjunto de leyes físicas que rigen el comportamiento del mundo a nivel de electrones, átomos, moléculas y cristales. Las leyes de la mecánica newtoniana que conocemos a nuestra escala ya no son válidas en la escala nanométrica (una milmillonésima parte de un metro), que corresponde aproximadamente al tamaño de un átomo. La física cuántica comenzó a desarrollarse en el primer cuarto del siglo XX con Planck y Einstein, y a partir de 1925 los grandes físicos Heisenberg, Schrödinger y Dirac desarrollaron un formalismo matemático que se ha utilizado desde entonces.
La física cuántica es fundamental, por ejemplo, para explicar por qué la materia es estable. Desde finales del siglo XIX sabemos que la materia está formada por cargas positivas y negativas, y que estas cargas positivas y negativas se atraen entre sí. Por tanto, la materia debería colapsar sobre sí misma. Esto no es así gracias al comportamiento cuántico del electrón, que no es sólo una partícula, sino también una onda. Cuando intentas confinar un electrón, te ves obligado a considerar una longitud de onda cada vez más pequeña y, por tanto, una energía cada vez mayor. Como esta energía no está disponible, el electrón no puede limitarse a una dimensión menor que el tamaño del átomo. La física cuántica también se puede utilizar para comprender los enlaces químicos entre los átomos.
Su formalismo permite describir la corriente eléctrica en los materiales también a nivel microscópico, algo que ha permitido a los físicos inventar y fabricar transistores y circuitos integrados, que son la base de los ordenadores. También nos permite comprender cómo la materia absorbe o emite fotones (partículas de luz), lo cual fue fundamental para inventar el láser.
¿Qué pasa con las computadoras cuánticas?
El concepto de computadora cuántica surgió aproximadamente en las últimas dos décadas y fue desencadenado por varios avances experimentales realizados a partir de la década de 1970: el primero fue que aprendimos a observar y controlar objetos microscópicos individuales. Anteriormente, sólo podíamos manipular grandes conjuntos de partículas. Hoy podemos atrapar un electrón o un átomo y observarlo y controlarlo. También podemos emitir un solo fotón y aprovecharlo.
La segunda serie de avances está relacionada con el entrelazamiento cuántico, descrito por primera vez en el artículo de 1935 de Einstein, Podolsky y Rosen, y que sólo es concebible en el marco de la física cuántica.
El entrelazamiento ocurre cuando dos partículas, habiendo interactuado en el pasado y luego separadas en el espacio, forman un todo cuántico inseparable que contiene más información que la contenida en la suma de la información de cada partícula. Es esta propiedad la que abre la puerta a la computación cuántica: si en lugar de tener sólo dos bits cuánticos entrelazados para codificar la información cuántica, se tienen tres, cuatro, cinco, 10 o 100, la cantidad adicional de información, en comparación con una memoria clásica, contenida en estas partículas es gigantesca porque crece exponencialmente.
La decoherencia es un gran obstáculo
Hoy, sin embargo, todavía estamos muy lejos de una computadora cuántica perfecta porque los bits cuánticos (qubits) que tenemos no son estables y sufren lo que se conoce como “decoherencia” cuando interactúan con su entorno. Esto significa que después de cierto tiempo se comportan como objetos clásicos y pierden la información cuántica que contienen. La decoherencia es un obstáculo para la creación de un ordenador cuántico y requerirá un gran esfuerzo tecnológico para solucionarlo. Pero nada nos impide superar la dificultad más rápido de lo esperado. Por ejemplo, podríamos encontrar un subespacio de estados cuánticos protegido de la decoherencia. Si ese fuera el caso, podríamos ver una computadora cuántica durante mi vida.
Estoy convencido de que tarde o temprano existirá una computadora cuántica ideal que funcione perfectamente, porque en mi experiencia, cuando algo que parece factible no está prohibido por las leyes fundamentales de la física, los ingenieros eventualmente logran encontrar una manera de hacerlo realidad. Sin embargo, siendo realistas, me sorprendería que esto sucediera en un futuro próximo.
Una futura red cuántica y teletransportación
Una internet cuántica, o si queremos ser más precisos, una red cuántica, haría uso de dos o más ordenadores cuánticos que se comunicarían entre sí enviando información cuántica directamente desde el estado cuántico, sin tener que pasar por un estado clásico intermedio. Esto permitiría transmitir una gran cantidad de información. Esto se puede lograr mediante un proceso conocido como teletransportación cuántica, que ya se ha demostrado para partículas individuales y pequeños conjuntos de partículas, pero a distancias de no más de unas pocas decenas de kilómetros.
Si el problema de la decoherencia no se resuelve en el corto plazo, probablemente aparecerá primero una clase de computadoras cuánticas “degradadas”. Estas máquinas de escala intermedia serán mucho más eficientes que un ordenador convencional para determinadas tareas, como problemas de optimización (el famoso problema del viajante, por ejemplo, o la optimización de las redes eléctricas).
La segunda revolución cuántica
Hoy en día oímos hablar a menudo de “cuántica 2.0”, pero yo prefiero llamarla “la segunda revolución cuántica”, porque es una revolución radical. La primera revolución cuántica fue principalmente conceptual y científica: la implementación de un nuevo formalismo matemático para describir la dualidad onda-partícula. Condujo a una comprensión mucho mejor del mundo físico y a aplicaciones que han revolucionado la sociedad. La segunda revolución se basa en dos nuevos conceptos: nuestra capacidad para aislar y controlar objetos cuánticos individuales; y la posibilidad de entrelazar estos objetos y explotar este entrelazamiento en aplicaciones reales.
¿Estas nuevas tecnologías cuánticas revolucionarán nuestra sociedad del mismo modo que lo hicieron el transistor y el láser? Es demasiado pronto para decirlo, pero creo que es importante que las empresas inviertan en estas tecnologías, porque si realmente aportan los avances revolucionarios que esperamos, aquellos que no inviertan quedarán fuera del juego. Será importante contar con expertos internos en física cuántica capaces de explotar rápidamente estos avances. Hoy en día hay escasez de personas con habilidades en física cuántica y creo que los empresarios deben unir fuerzas con las universidades para abordar este problema de manera más efectiva.
