El año pasado nos ha brindado algunos de los avances más interesantes en mecánica cuántica hasta la fecha. El campo tiene más de 100 años y se ha sometido a pruebas con una precisión inimaginable; sin embargo, algunas de sus afirmaciones más sorprendentes siguen siendo objeto de debate.
Esto ocurre incluso con uno de los resultados más antiguos de la teoría, el principio de incertidumbre de Heisenberg, según el cual ciertas propiedades de un sistema cuántico, como la posición y el momento de una partícula, solo pueden medirse simultáneamente con una precisión finita.
Este límite fundamental al conocimiento que puede obtenerse sobre un estado cuántico se debe a la inevitable «reacción» o perturbación que el dispositivo de medición provoca en el sistema estudiado. Dicho de forma sencilla, la medición cambia un estado cuántico.
El principio de incertidumbre de Heisenberg en acción.
En los últimos años, resultados experimentales publicados por grupos de Viena y Toronto afirmaban haber aprovechado una laguna en la formulación estándar del principio de incertidumbre y, por tanto, haberlo violado.
En respuesta, un artículo publicado este año en Physical Review A por una colaboración de investigadores europeos ha demostrado que, mediante un análisis cuidadoso de los experimentos, se mantiene intacta una forma más general del principio.
Este tipo de debates no son simples ejercicios de sutilezas interpretativas; nuestra comprensión de esta teoría, antaño oscura, está madurando. Ahora podemos aprovechar sus propiedades contraintuitivas para inventar tecnologías que son clásicamente imposibles. Este progreso se da a la vez en los planos fundacional y tecnológico.
Por si fuera poco
Consideremos el concepto de mediciones débiles. Estas intentan minimizar el efecto de una medición sobre el estado cuántico del sistema medido y, así, sortear el principio de incertidumbre. Pero permitir que el dispositivo de medición interactúe débilmente con el sistema cuántico tiene un costo: la medición solo logrará revelar algo sobre el sistema parte del tiempo.
Al considerar únicamente los resultados que se consideran exitosos, resulta que el promedio estadístico de la magnitud medida puede superar con creces cualquier resultado posible de una sola medición. En otras palabras, se obtiene una señal amplificada en un dispositivo de medición.
Pese a las afirmaciones en sentido contrario de físicos de Oxford, investigaciones recientes de la Universidad del Sur de California y la Universidad de California en Riverside demostraron que, con el ingrediente añadido del entrelazamiento cuántico, las mediciones débiles pueden ser más precisas que las estándar en sistemas «ruidosos».
Sin embargo, se ha puesto en duda la naturaleza cuántica de los valores débiles. Este año, investigadores del Centro de Información y Control Cuánticos de Nuevo México afirmaron que la amplificación de mediciones descrita anteriormente no es un fenómeno exclusivamente cuántico.
Puede aplicarse un razonamiento similar al lanzamiento de una moneda clásica, con una salvedad: por analogía con la medición cuántica débil, no es posible determinar el resultado (cara o cruz) con una tasa de éxito del 100 %, y la propia moneda puede voltearse durante el proceso. En este caso, las probabilidades pueden idearse de modo que el valor esperado estadístico de un solo lanzamiento de la moneda resulte en 100 caras.
No obstante, Matthew Pusey, del Instituto Perimeter en Waterloo, Canadá, demostró posteriormente que, en los sistemas cuánticos, estos extraños resultados no tienen explicación clásica y que los valores débiles están estrechamente relacionados con una propiedad de la mecánica cuántica conocida como contextualidad.
La contextualidad significa que las propiedades medidas de los estados cuánticos dependen intrínsecamente de cómo se realiza la medición. Además de hacer posible lo extraño de las mediciones débiles, la contextualidad también parece desempeñar un papel fundamental en la computación cuántica.
Científicos de la Universidad de Waterloo demostraron que la contextualidad, y no el entrelazamiento ni otros fenómenos cuánticos, aporta la «magia» necesaria para cierto cálculo cuántico. Se trata de un avance enorme porque, aunque contamos con abundantes pruebas de que una computadora cuántica es muy superior a una clásica, todavía no entendemos exactamente qué propiedad de la mecánica cuántica le confiere esa ventaja.
A calcular
Junto con estos avances teóricos, los experimentos publicados en 2014 nos han acercado más que nunca a hacer realidad una computadora cuántica operativa, el sueño supremo de miles de científicos que trabajan en física cuántica.
Ir más allá de los 0 y 1 booleanos de la computación clásica y construir uno de estos dispositivos con un tamaño suficiente nos permitiría resolver problemas que superan las capacidades de las supercomputadoras más potentes de la actualidad.
Muchos sistemas físicos distintos son candidatos para una computadora cuántica funcional, cada uno con sus propias ventajas y desventajas, y este año se han logrado avances importantes en varios de ellos.
En una implementación basada en diamantes —que tiene la ventaja de ser fácilmente escalable y funcionar a temperatura ambiente—, un equipo de la Universidad de Tsinghua, en Pekín, diseñó e implementó puertas lógicas geométricas universales. Estos son los componentes básicos con los que puede construirse cualquier algoritmo cuántico tolerante a fallos y constituyen el rasgo principal que distingue la computación cuántica «convencional» y multipropósito de los dispositivos cuánticos menos generales.
Las computadoras cuánticas ópticas —que codifican información cuántica en la luz— también superaron este año un obstáculo importante cuando, por primera vez, una colaboración entre la Universidad de Ginebra y la Universidad de Stanford logró que un par de fotones individuales interactuaran entre sí. Hasta entonces, este era uno de los ingredientes que faltaban en una tecnología cuántica que, por lo demás, estaba bien desarrollada y era prometedora.
En conjunto, 2014 ha sido un año asombroso para el campo de la física cuántica, y la investigación mencionada anteriormente representa una pequeña fracción de lo publicado en cientos de artículos durante los últimos 12 meses.
Contrariamente a las ideas erróneas populares, según las cuales la ciencia se construye sobre un cimiento de leyes inmutables, incluso algunos de los principios más básicos de la mecánica cuántica siguen siendo objeto de un polémico debate científico.
Al ampliar los límites de la teoría, comprendemos mejor y, por tanto, controlamos más los fenómenos que sustentan nuestra realidad.
Este artículo se publica en colaboración con The Conversation. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde estas opiniones.
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Autor: Felix Pollock es investigador de física cuántica en la Universidad de Monash. Kavan Modi es profesor en la Universidad de Monash.
Imagen: Vista del Atomium de Bruselas durante su ceremonia oficial de inauguración, el 14 de febrero de 2006. Bélgica celebró el martes la reapertura del Atomium, uno de sus monumentos más conocidos, tras renovar por varios millones de dólares la gigantesca estructura molecular de bolas y barras metálicas.
