WHAT'S QUANTUM?

Simplemente expresaré mi firme creencia de que ese punto de la autoeducación que consiste en enseñar a la mente a resistir sus deseos e inclinaciones hasta que se demuestre que son correctos, es el más importante de todos, no sólo en cosas de filosofía natural, sino en todos los departamentos de la vida cotidiana.

Michael Faraday (1859) [1]

Yet Another Introduction to Quantum...

1. What’s Quantum?

1.1 Conceptos erróneos sobre la cuántica

En la ciencia ficción se suele utilizar el adjetivo cuántico para explicar cómo funciona una tecnología que parece desafiar las leyes de la física. En la película de superhéroes de 2018 Ant-Man, el protagonista puede acceder a este reino haciéndose cada vez más pequeño hasta entrar en el misterioso Reino Cuánticodescrito como "una realidad en la que todos los conceptos de tiempo y espacio se vuelven irrelevantes".

En realidad, el espacio y el tiempo siguen siendo conceptos muy relevantes incluso a escala subatómica .*

La mecánica cuántica se describe mediante la ecuación de Schrödinger, basada en el espacio y el tiempo. Aunque la física cuántica tiene algunas diferencias con la física clásica, la que todo el mundo está acostumbrado a experimentar en la vida cotidiana, la cuántica no es algo mágico que permita explicar cualquier cosa que viole la física clásica. Sin embargo, la mecánica cuántica presenta algunas características pequeñas pero significativas que permiten el desarrollo de nuevas tecnologías.

* Por debajo de unos 10^-35 m, la longitud de Planck, ni siquiera la mecánica cuántica proporciona una descripción completa de la física, por lo que describir lo que se observaría a esa escala está más allá de lo que la física puede decir por ahora.

1.2 ¿Cuántos físicos hacen falta para cambiar una bombilla?

A principios del siglo XX, un físico alemán (Max Planck) se encargó de modelar la emisión de luz de una bombilla de filamento (un cable que se calienta lo suficiente como para brillar). Así llegó a lo que se conoce como espectro de radiación del cuerpo negro. Quizá se pregunte por qué se ha incluido semejante trivialidad en un libro de texto sobre la Computación Cuántica.

Resulta que, según su modelo, la energía emitida por un objeto con una temperatura finita no se emite en un espectro continuo. Es decir, en lugar de emitir todas las longitudes de onda posibles, la bombilla sólo emite determinadas longitudes de onda. Esto se conoce como espectro discreto. Lo que esto significa es que la energía se emite en trozos, o quantums...con una energía bien definida. No podemos tener energía entre estos trozos.

Es un poco como coger el ascensor. Sólo se puede subir o bajar del ascensor a una altura determinada, correspondiente al nivel del piso. Cada planta está separada por una distancia y el ascensor puede subir o bajar en cualquier múltiplo de estas distancias limitadas por el número de plantas. Entre esos niveles, las puertas del ascensor no se abren.

Este concepto de cuantificación de la energía es de donde procede lo cuántico. Aunque la cuantificación es menos importante para la computación cuántica, merece la pena mencionarla. La razón es que el transistor, que alimenta toda la electrónica digital, se basa en este concepto. Así, ¡todos los ordenadores fabricados con transistores son ordenadores que funcionan con mecánica cuántica!. Ellos no son computadores cuánticossimplemente que se basan fundamentalmente en la física cuántica, al igual que tú, yo y todo lo que podemos ver y tocar.

Más allá de la cuantificación de la energía, existen fenómenos cuánticos mucho más significativos para la informática cuántica: superposición & entrelazamiento.

1.3 ¿Qué le pasó a ese gato?

Es posible que haya oído hablar de un gato muy especial asociado a otro físico alemán, Schrodinger. En esta analogía, se guarda un gato dentro de una caja negra que el observador no puede ver por dentro. Dentro de la caja, también hay un frasco de veneno con una fuente radiactiva. La fuente radiactiva tiene la misma probabilidad de descomponerse o no en un intervalo de tiempo determinado. Si la fuente se desintegra, se libera el veneno y el gato muere. de lo contrario, el gato está bien. Hasta que el observador no abre la caja no sabe si el gato está vivo o muerto.

A Schrodinger se le ocurrió esta analogía para explicar por qué la mecánica cuántica resultaba tan controvertida para unos físicos que hasta principios del siglo XX se habían desenvuelto muy bien con la física clásica. Esta analogía es eficaz, pero está muy alejada de las experiencias cotidianas, por lo que se puede hacer otra analogía que encierre la misma física.

Es tan sencillo como lanzar una moneda al aire...

Una moneda normal tiene dos caras: cara y cruz. Suponiendo que la moneda sea imparcial, al lanzarla debería haber la misma probabilidad de que salga cara, P(H) o sello, P(T), ambos iguales a 1/2. Aquí no se considera realmente el caso extremadamente improbable de que la moneda caiga sobre su canto redondo. Cuando la moneda aún no ha caído, podemos decir que se encuentra en un estado particular en el que está siendo ambas cara y sello al mismo tiempo.

Eso no quiere decir que haya 2 monedas en las que 1 salga cara y la otra salga sello*. En cambio, esto significa que hay cierta incertidumbre en el estado de la moneda.

En mecánica cuántica a esto se le llama estado de superposición. Y este es el estado en el que decimos que se encuentra el gato de Schrodinger antes de abrir la caja. El concepto de mirar la moneda, o abrir la caja, es lo que en mecánica cuántica se conoce como realizar una medición.

* Según la interpretación de los muchos mundos de la mecánica cuántica, no es tan sencillo...

1.4 No es tan espeluznante a distancia

Los fenómenos conceptualmente más difíciles, quintesenciales para la computación cuántica, también pueden explicarse utilizando monedas (pero con una pequeña modificación). Para este ejemplo se necesitarán 2 monedas. Lanzar dos monedas sin sesgo es efectivamente lo mismo que lanzar la misma moneda dos veces y registrar el resultado cada vez. Adivinar si la moneda es H o T supone un 50% para cada moneda o un 25% para acertar las dos.

Para el siguiente paso necesitaremos un poco de adhesivo removible. Imagina que colocas las monedas juntas, cada una con la H hacia fuera y las T pegadas para formar una moneda del doble de grosor. Al lanzar esta moneda, siempre saldrá una moneda con la H hacia arriba. Pero antes de revelar la moneda, se separan las dos monedas. La moneda de abajo debe tener su T hacia arriba, dejando 2 monedas una H y la otra T. Después de barajar las monedas se separan.

[2]

En este punto, adivinar cualquiera de las monedas tendría un 50% de posibilidades de obtener el resultado correcto, el mismo que para dos monedas lanzadas por separado. Pero si sólo se revela una de las monedas, digamos la H, entonces se sabe al instante que la otra debe ser una T. De repente, adivinar el estado de la segunda moneda tiene un 100% de posibilidades de éxito, mientras que con los lanzamientos de monedas por separado, revelar una no suponía ninguna diferencia para adivinar la otra. Estas probabilidades vinculadas es lo que se conoce como estado entrelazado.

1.5 Tecnología Cuántica

Las tecnologías cuánticas, tal y como las define John Morton, director de la UCLQ (en el momento de escribir estas líneas) son "las que explotan la superposición y el entrelazamiento cuánticos para lograr avances importantes respecto a las tecnologías actuales en ámbitos como la comunicación, la detección y el tratamiento de la información.”

Se trata de dispositivos que aprovechan los fenómenos mencionados para aplicaciones prácticas con el fin de hacer algo mejor que lo que se puede hacer sin utilizarlos. La Computación Cuántica es una de las tecnologías cuánticas más apasionantes, aunque esté mucho menos madura que otras como la metrología cuántica (detección) y la encriptación (comunicaciones).

Autor

Thomas Clarke – Físico y Magíster en Computación Cuántica

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