La mecánica cuántica es rara. La teoría, que describe el funcionamiento de partículas y fuerzas diminutas, notoriamente hizo que Albert Einstein se sintiera tan incómodo que en 1935 él y sus colegas afirmaron que debía estar incompleto, era demasiado "espeluznante" para ser real.
contenido relacionado
- Los científicos ven al gato de Schrödinger en la cámara
- Siete formas simples que sabemos que Einstein tenía razón (por ahora)
- La física extraña puede hacer visible a un gato invisible
- Lockheed Martin tiene computadoras cuánticas increíblemente rápidas y planea usarlas realmente
El problema es que la física cuántica parece desafiar las nociones de sentido común de causalidad, localidad y realismo. Por ejemplo, sabes que la luna existe incluso cuando no la estás mirando, eso es realismo. La causalidad nos dice que si presiona un interruptor de luz, la bombilla se iluminará. Y gracias a un límite estricto en la velocidad de la luz, si presiona un interruptor ahora, el efecto relacionado no podría ocurrir instantáneamente a un millón de años luz de acuerdo con la localidad. Sin embargo, estos principios se rompen en el reino cuántico. Quizás el ejemplo más famoso es el entrelazamiento cuántico, que dice que las partículas en lados opuestos del universo pueden estar intrínsecamente vinculadas para que compartan información al instante, una idea que hizo que Einstein se burlara.
Pero en 1964, el físico John Stewart Bell demostró que la física cuántica era de hecho una teoría completa y viable. Sus resultados, ahora llamados el Teorema de Bell, demostraron efectivamente que las propiedades cuánticas como el enredo son tan reales como la luna, y hoy los comportamientos extraños de los sistemas cuánticos se están aprovechando para su uso en una variedad de aplicaciones del mundo real. Aquí hay cinco de los más interesantes:
Un reloj de estroncio, presentado por NIST y JILA en enero, mantendrá la hora exacta para los próximos 5 mil millones de años. (El grupo Ye y Brad Baxley, JILA) Relojes ultraprecisos
El cronometraje confiable es más que solo su alarma matutina. Los relojes sincronizan nuestro mundo tecnológico, manteniendo en línea cosas como los mercados de valores y los sistemas GPS. Los relojes estándar usan las oscilaciones regulares de objetos físicos como péndulos o cristales de cuarzo para producir sus 'garrapatas' y 'toques'. Hoy, los relojes más precisos del mundo, los relojes atómicos, pueden usar los principios de la teoría cuántica para medir el tiempo. Monitorean la frecuencia de radiación específica necesaria para hacer que los electrones salten entre los niveles de energía. El reloj de lógica cuántica del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU. (NIST) en Colorado solo pierde o gana un segundo cada 3.700 millones de años. Y el reloj de estroncio NIST, presentado a principios de este año, será tan preciso durante 5 mil millones de años, más que la edad actual de la Tierra. Estos relojes atómicos súper sensibles ayudan con la navegación GPS, las telecomunicaciones y la topografía.
La precisión de los relojes atómicos depende en parte del número de átomos utilizados. Mantenido en una cámara de vacío, cada átomo mide el tiempo de forma independiente y vigila las diferencias locales aleatorias entre él y sus vecinos. Si los científicos introducen 100 veces más átomos en un reloj atómico, se vuelve 10 veces más preciso, pero hay un límite en la cantidad de átomos que puede introducir. El próximo gran objetivo de los investigadores es utilizar el enredo con éxito para mejorar la precisión. Los átomos enredados no estarían preocupados por las diferencias locales y, en cambio, solo medirían el paso del tiempo, uniéndolos efectivamente como un solo péndulo. Eso significa que agregar 100 veces más átomos a un reloj enredado lo haría 100 veces más preciso. Los relojes enredados podrían incluso vincularse para formar una red mundial que mediría el tiempo independientemente de la ubicación.
Los observadores tendrán dificultades para piratear la correspondencia cuántica. (VOLKER STEGER / Science Photo Library / Corbis) Códigos indescifrables
La criptografía tradicional funciona con claves: un remitente usa una clave para codificar información y un destinatario usa otra para decodificar el mensaje. Sin embargo, es difícil eliminar el riesgo de un espía, y las claves pueden verse comprometidas. Esto se puede solucionar mediante la distribución de clave cuántica (QKD) potencialmente irrompible. En QKD, la información sobre la clave se envía a través de fotones que se han polarizado aleatoriamente. Esto restringe el fotón para que vibre en un solo plano, por ejemplo, arriba y abajo, o de izquierda a derecha. El destinatario puede usar filtros polarizados para descifrar la clave y luego usar un algoritmo elegido para cifrar de forma segura un mensaje. Los datos secretos todavía se envían a través de canales de comunicación normales, pero nadie puede decodificar el mensaje a menos que tengan la clave cuántica exacta. Eso es complicado, porque las reglas cuánticas dictan que "leer" los fotones polarizados siempre cambiará sus estados, y cualquier intento de espionaje alertará a los comunicadores de una violación de seguridad.
Hoy, compañías como BBN Technologies, Toshiba e ID Quantique usan QKD para diseñar redes ultra seguras. En 2007, Suiza probó un producto ID Quantique para proporcionar un sistema de votación a prueba de manipulaciones durante una elección. Y la primera transferencia bancaria usando QKD enredado se realizó en Austria en 2004. Este sistema promete ser altamente seguro, porque si los fotones están enredados, cualquier cambio en sus estados cuánticos realizado por intrusos sería inmediatamente evidente para cualquiera que esté monitoreando la llave partículas Pero este sistema aún no funciona a grandes distancias. Hasta ahora, los fotones enredados se han transmitido a una distancia máxima de aproximadamente 88 millas.
Primer plano de un chip de computadora D-Wave One. (D-Wave Systems, Inc.) Computadoras súper potentes
Una computadora estándar codifica la información como una cadena de dígitos binarios, o bits. Las computadoras cuánticas sobrecargan la potencia de procesamiento porque usan bits cuánticos, o qubits, que existen en una superposición de estados; hasta que se miden, los qubits pueden ser tanto "1" como "0" al mismo tiempo.
Este campo aún está en desarrollo, pero se han dado pasos en la dirección correcta. En 2011, D-Wave Systems reveló el D-Wave One, un procesador de 128 qubit, seguido un año después por el D-Wave Two de 512 qubit. La compañía dice que estas son las primeras computadoras cuánticas disponibles comercialmente en el mundo. Sin embargo, esta afirmación se ha encontrado con escepticismo, en parte porque todavía no está claro si los qubits de D-Wave están enredados. Los estudios publicados en mayo encontraron evidencia de enredos, pero solo en un pequeño subconjunto de los qubits de la computadora. También hay incertidumbre sobre si los chips muestran alguna aceleración cuántica confiable. Aún así, la NASA y Google se han unido para formar el Laboratorio de Inteligencia Artificial Cuántica basado en un D-Wave Two. Y los científicos de la Universidad de Bristol el año pasado conectaron uno de sus chips cuánticos tradicionales a Internet para que cualquier persona con un navegador web pueda aprender la codificación cuántica.
Manteniendo un ojo agudo en el enredo. (Ono y otros, arxiv.org) Microscopios mejorados
En febrero, un equipo de investigadores de la Universidad Hokkaido de Japón desarrolló el primer microscopio mejorado de enredos del mundo, utilizando una técnica conocida como microscopía de contraste de interferencia diferencial. Este tipo de microscopio dispara dos haces de fotones a una sustancia y mide el patrón de interferencia creado por los rayos reflejados; el patrón cambia dependiendo de si golpean una superficie plana o irregular. El uso de fotones enredados aumenta en gran medida la cantidad de información que el microscopio puede reunir, ya que medir un fotón enredado proporciona información sobre su compañero.
El equipo de Hokkaido logró capturar una "Q" grabada que se encontraba a solo 17 nanómetros sobre el fondo con una nitidez sin precedentes. Se podrían usar técnicas similares para mejorar la resolución de las herramientas de astronomía llamadas interferómetros, que superponen diferentes ondas de luz para analizar mejor sus propiedades. Los interferómetros se utilizan en la búsqueda de planetas extrasolares, para sondear estrellas cercanas y para buscar ondas en el espacio-tiempo llamadas ondas gravitacionales.
El petirrojo europeo puede ser un cuanto natural. (Andrew Parkinson / Corbis) Brújulas biológicas
Los humanos no son los únicos que hacen uso de la mecánica cuántica. Una teoría principal sugiere que las aves como el petirrojo europeo utilizan la acción espeluznante para mantenerse al día cuando migran. El método involucra una proteína sensible a la luz llamada criptocromo, que puede contener electrones enredados. Cuando los fotones entran al ojo, golpean las moléculas de criptocromo y pueden entregar suficiente energía para separarlas, formando dos moléculas reactivas, o radicales, con electrones no apareados pero aún enredados. El campo magnético que rodea al ave influye en la duración de estos radicales criptocromos. Se cree que las células en la retina del ave son muy sensibles a la presencia de los radicales enredados, lo que permite a los animales "ver" efectivamente un mapa magnético basado en las moléculas.
Sin embargo, este proceso no se comprende por completo, y hay otra opción: la sensibilidad magnética de las aves podría deberse a pequeños cristales de minerales magnéticos en sus picos. Aún así, si el enredo realmente está en juego, los experimentos sugieren que el estado delicado debe durar mucho más en un ojo de pájaro que incluso en los mejores sistemas artificiales. La brújula magnética también podría ser aplicable a ciertos lagartos, crustáceos, insectos e incluso algunos mamíferos. Por ejemplo, una forma de criptocromo utilizada para la navegación magnética en moscas también se ha encontrado en el ojo humano, aunque no está claro si es o alguna vez fue útil para un propósito similar.
