Vea También
La física cuántica es la parte de la física que explica cómo se comportan las cosas pequeñas, a escalas atómicas e inferiores a éstas. A esas escalas, el mundo no es tal y como lo vemos: suceden “cosas raras”. El mundo de la probabilidad entra en juego y prácticamente todo puede ocurrir.
Dado que 2025 ha sido declarado Año de la Ciencia y la Tecnología Cuántica, se hace imprescindible un diccionario muy básico para poder estar al tanto de la cuántica que se avecina.
Los padres de la física cuántica, todos ellos premios Nobel
Max Planck (1858-1947) introdujo en 1900 la idea de los cuantos de energía, marcando el nacimiento de la teoría cuántica. Cinco años más tarde, Albert Einstein (1879-1955) utilizó esta idea para explicar el efecto fotoeléctrico, consolidando el concepto de que la luz tiene una naturaleza dual, comportándose como onda y como partícula.
Hay tres nombres más que debemos tener en mente cuando hablamos de física cuántica. El primero es el de Niels Bohr (1885-1962), que propuso un modelo atómico que explicaba cómo los electrones orbitan en niveles discretos de energía llamados orbitales. En cuanto a Werner Heisenberg (1901-1976) y Erwin Schrödinger (1887-1961), desarrollaron las formulaciones matemáticas fundamentales de la mecánica cuántica.
Partículas elementales
Las partículas elementales son las entidades más pequeñas posibles. No están constituidas por otras más pequeñas ni se conoce que tengan estructura interna. Las hay de dos tipos: los bloques que conforman nuestro mundo (la materia) asociándose entre ellos, que llamamos fermiones, y las partículas que son las responsables de las interacciones que se producen entre fermiones, los bosones.
Los neutrinos son fermiones y, por lo tanto, materia. Lo que ocurre es que son tan pequeños que no interactúan con el resto de materia común, por eso nos atraviesan en cantidades incalculables sin que nos demos ni cuenta.
Las partículas elementales no pueden dividirse, o al menos no lo hemos conseguido. Los electrones son partículas elementales, los protones y neutrones no. Pero todas ellas, puedan o no dividirse, y debido a su diminutísimo tamaño, obedecen a las reglas del mundo cuántico.
Cuanto
Cuanto viene del latín y significa cantidad. Se trata del valor más pequeño que puede tomar cualquier propiedad que sea medible, cualquier magnitud física. Y el cuanto es indivisible. Por ejemplo, podemos hablar de cuanto de energía como la mínima (e indivisible) cantidad de energía que puede intercambiarse en una interacción. Un fotón (la partícula elemental responsable de las manifestaciones cuánticas del fenómeno electromagnético, entre ellas la luz) es, de este modo, un cuanto de energía.
Hay otras magnitudes cuantizadas, como la carga eléctrica, el espín o momento angular de la partícula, etc.
Paradojas cuánticas
En el mundo de lo más pequeño ocurren cosas inimaginables. Por ejemplo, una partícula puede estar en dos lugares a la vez, o un gato puede estar vivo y muerto al mismo tiempo. ¿Puede existir la Luna si no miramos?, se preguntaba Einstein.
La respuesta a todo esto, que no es solo un juego intelectual, se denomina superposición de estados. En el mundo cuántico es todo, a nuestros ojos, cuestión de probabilidad. Y el estado concreto que se manifiesta solo existe cuando lo medimos (o miramos).
Imaginemos que lanzamos una moneda, pero en vez de caer en cara o en cruz está en ambos lados a la vez hasta que la miramos. Solo entonces se decide a ser cara o cruz. Esta cualidad de las partículas del mundo cuántico se utiliza sin llegar a comprenderse del todo. Y es la clave de los ordenadores cuánticos.
Principio de incertidumbre de Heisenberg
En el mundo cuántico reina la incertidumbre. No podemos saber al mismo tiempo toda la información sobre una partícula.
Por ejemplo, no podemos saber exactamente dónde está una partícula y, al mismo tiempo, su velocidad, ya que para medir la velocidad deberíamos permitir que se moviera y ya no estaría en el mismo lugar. Es como si intentáramos ver una pelota en movimiento: cuanto más rápido se mueve, más difícil es saber exactamente dónde se encuentra. También ocurre algo similar con la energía y el tiempo.
Dualidad onda-partícula
Las partículas a veces se comportan como “bolitas” y otras veces como ondas, como olas en la superficie del agua. Es como si una partícula tuviera dos personalidades: a veces es algo sólido y a veces es algo más difuso.
La idea de que la luz se comportaba como un tren de pequeñas partículas ya fue defendida por Sir Isaac Newton, eso sí, sin pruebas. Coetáneo de Newton, Thomas Young demostró con su famoso experimento de la doble rendija que la luz se comportaba como una onda, pero la presencia de Newton y su teoría corpuscular fue tan impactante y preponderante que Young fue relegado y olvidado durante varios siglos.
Hoy en día sabemos que la luz se puede comportar como una onda y como una partícula. Y no solo ocurre con la luz, sino también con otras partículas (electrones, protones, neutrones, etc).
Tecnologías cuánticas y supremacía
Se denominan así a los artilugios o aplicaciones que utilizan las reglas del mundo cuántico para hacer cosas increíbles, como computadoras superrápidas (computadoras cuánticas), sensores superprecisos y comunicaciones que no se pueden hackear.
Si bien se avanza en esta línea cada día, aún no se ha alcanzado la supremacía cuántica en ningún campo. Esto sucederá cuando alguna de estas tecnologías cuánticas superen en eficiencia a las tecnologías clásicas.
Leer más: El impacto del ordenador cuántico de 100 000 cúbits que comercializará IBM
Entrelazamiento cuántico
Imagine tener dos walkie-talkies mágicos que siempre están conectados, sin importar cuán lejos estén. Si habla por uno de ellos, el sonido llegará al otro exactamente al mismo tiempo, sin importar la distancia, viajando la información incluso a velocidades superiores a la de la luz.
Las partículas cuánticas entrelazadas son como esos walkie-talkies: una afecta a la otra en el mismo preciso instante, sin importar la distancia que las separa.
Un ejemplo clásico es del par de zapatos que el zapatero separa en dos cajas cerradas, llevándose cada zapato una persona distinta. Ninguno de los dos sabe qué zapato se ha llevado, derecho o izquierdo, hasta que uno de los dos abre la caja (observa la partícula), instante en el que se desvela que zapato está en cada lado, sin interacción alguna de ambas personas.
Encriptación cuántica
Encriptar es codificar algo para que sólo aquella persona que tenga la clave pueda leer el mensaje. Si le añadimos el apelativo cuántica a la encriptación, la cosa se pone interesante.
En este caso se usan fotones, y con los fotones se pueden hacer cosas que parecen de ficción. Tal y como hemos adelantado, un fotón puede estar en dos estados al mismo tiempo (superposición de estados). Es como si pudiéramos estar en nuestra casa y en la escuela al mismo tiempo, ¡pero solo hasta que alguien nos vea! Cuando nos ven (o nos miden), solo podemos estar en el lugar que nos han visto. A esto se le llama “colapso”: el fotón ya no está en dos estados, sino en uno.
Por otro lado, con la tecnología actual es posible entrelazar dos fotones de forma que tengan la misma información, que solo puede leerse si se sabe la clave. Y si no se conoce la clave y se intenta leer, la información se estropea, se hace ilegible, avisando al emisor y receptor de que alguien ha intentado leerlo.
El Eagle-1 de la ESA será el primer satélite que incorporé comunicaciones encriptadas cuánticamente y está previsto su lanzamiento para finales de 2025.
Leer más: ¿Existe la Luna cuando no la miramos?
Acelerador de partículas
Su nombre lo dice todo: el acelerador de partículas es un aparato que, mediante campos magnéticos, consigue acelerar partículas y hacerlas interactuar (chocar entre ellas). De esta manera se recrean situaciones cercanas a las que se piensa que hubo en los inicios del universo conocido, el Big Bang, con partículas tremendamente energéticas chocando entre sí y dando lugar a otras partículas, antipartículas, fotones, etc.
El más famoso es el LHC del CERN, pero hoy en día hay más de 20 000 aceleradores en funcionamiento en todo el mundo.
Y así, todo lo que ocurre obedece a los extravagantes designios de la física cuántica.
Francisco José Torcal Milla no recibe salario, ni ejerce labores de consultoría, ni posee acciones, ni recibe financiación de ninguna compañía u organización que pueda obtener beneficio de este artículo, y ha declarado carecer de vínculos relevantes más allá del cargo académico citado.