La superposición cuántica es un concepto que está dando mucho de qué hablar. Esta propiedad de la naturaleza se está usando en ordenadores cuánticos, en teletransporte cuántico y en la semilla del internet cuántico. ¿Qué es y en qué consiste? ¿Cómo es posible que una partícula esté en varios lugares a la vez o tenga varios estados cuánticos de forma simultánea?
Índice
¿Qué es la superposición cuántica?
La superposición cuántica es un principio fundamental de la mecánica cuántica que dice que un sistema físico (por ejemplo, un electrón) existe en todos sus estados teóricos posibles a la vez y de manera simultánea. Solo puede ‘colapsar’ en una de estas configuraciones cuando se le observa. Esta ‘paralización’ es aleatoria, pero basada en leyes de probabilidad. Sí, es complicado.
Una forma de entender la superposición cuántica, al menos de manera simplificada, es pensar en que una partícula puede estar a la vez en dos estados de excitación, pero que solo revelará uno de ellos una vez sea observada. De ahí que la superposición sea muy usada en computación cuántica. Un ‘qubit’ o cúbit puede tomar el valor 0 y 1 a la vez; a diferencia de un bit, que adopta 0 o 1.
Esta superposición cuántica fue descubierta a raíz de una propuesta teórica del duque francés Luis de Broglie, quien en 1924 propuso que los electrones no eran partículas, sino ondas. Es decir, en lugar de ser ‘bolitas’ de materia con interacciones clásicas (como los choques entre bolas de billar), los electrones son ondas que se transmiten por el espacio. Lo cual es cierto.
Superposición cuántica igual a suma de ondas… ¿De partículas?
Si imaginamos los electrones como ‘bolitas’, la suma de uno más otro nos da una idea equivocada de cómo se comporta la materia, porque los imaginamos apilados como pelotas. Unas están encima, otras debajo y algunas a los lados. Sin embargo, la materia no funciona así a nivel cuántico, solo en el macroscópico. Es decir, el nuestro.
Bajo la perspectiva de la materia expresada como ondas, es mucho más fácil entender el fenómeno de la superposición cuántica. Las ondas, a diferencia de la materia, pueden sumarse. A nivel cuántico, la materia se comporta como ondas y sucede algo interesante: la materia puede ‘sumarse’ entre sí.
Hay una metáfora interesante que puede observarse en la naturaleza. La imagen de abajo muestra la onda que dejan gotas de agua en una superficie de agua. Es una onda circular que se propaga por la superficie. Cualquier persona que haya lanzado una piedra a un lago estará familiarizada con ello. En principio, cada onda es independiente.
Sin embargo, allí donde dos ondas coinciden suceden fenómenos de superposición de ondas. Es decir, se suman o se restan sus amplitudes. Cuando coinciden dos crestas de olas, la superficie se elevará mucho. Donde hay dos valles, veremos una depresión. Y en el caso de que una cresta coincida con un valle, la suma de las ondas provocará una cancelación.
Si los electrones son ondas que se mueven por el espacio, entonces sus ondas pueden hacer algo parecido a las que aparecen sobre el agua. El fenómeno es mucho más complejo, pero es una forma de simplificarlo. Pero la pregunta que a muchos les preocupa es: ¿dónde está el electrón?
El ‘colapso’ de una superposición cuántica
Según las leyes de la mecánica cuántica, la superposición cuántica puede darse hasta que una partícula es observada. Entonces, la función de onda (aquella que describe la probabilidad de que la partícula tenga unos estados u otros, la forma que se tiene de representar un sistema de partículas) colapsa o se define en una más concreta.
Aunque no es correcta del todo, es posible usar la siguiente metáfora. En una habitación a oscuras hay un globo de helio flotando. A priori, es imposible saber dónde está el globo con exactitud, porque hay corrientes de aire muy complejas que lo mueven de un lado a otro. Lo que sí es posible es determinar la probabilidad de que el globo esté en un sitio u otro. Eso es su función de onda.
Ahora, ¿cómo saber dónde está? ¿Cómo ‘colapsar’ la función de onda? Un experimento que se puede llevar a cabo es lanzar dardos. Si el dardo pasa por un lugar en el que el globo no está, no recibiremos ningún sonido. Sin embargo, si el dardo atraviesa el globo, escucharemos la explosión. Aquí está lo más importante: tanto si el dardo encuentra el globo como si no, el globo habrá definido su posición. Es decir, habrá ‘colapsado’, en términos físicos; habrá revelado dónde se encuentra.
Sin ser una metáfora perfecta, el ejemplo del globo ayuda a entender cómo un electrón puede estar distribuido de forma simultánea por cierta región del espacio y cómo solo cuando es observado es posible determinar cuál es.
Si esta propiedad es tan interesante es porque puede ser usada para la construcción de ordenadores cuánticos. En 2016 un equipo de investigadores lograron una transferencia remota de información gracias a las propiedades cuánticas de la materia, superposición incluida.
En 2017 otro equipo consiguió teletransportar estados cuánticos entre dos nodos conectados. Y en 2022 un equipo de investigadores ha logrado teletransportar estados cuánticos entre dos no conectados, gracias a que los nodos Alice, Bob y Charlie estaban conectados uno a uno. Es decir, Alice y Bob y Bob y Charlie, por otro lado. Con estos experimentos, se abre la posibilidad de un internet más fiable.
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Imágenes | Biel Morro, Greyson Joralemon, Linus Nylund