Desmitificando lo cuántico: está aquí, allá y en todas partes
10 de abril de 2024
Por: Tara Fortier
La investigadora del NIST Tara Fortier alinea la óptica para maximizar la señal proveniente de un reloj óptico. La señal se mide mediante un peine de frecuencia.
Recientemente, probablemente hayas visto la palabra «cuántico» utilizada en todas partes: en informática, en nombres de empresas de tecnología y tal vez incluso para explicaciones sobre el amor y la conciencia.
Entonces… ¿qué es la cuántica? ¿Qué es la tecnología cuántica? ¿Y vale la pena todo el revuelo?
En primer lugar, ¿qué es lo cuántico?
La mecánica cuántica, a menudo llamada mecánica cuántica, se ocupa de la naturaleza granular y difusa del universo y del comportamiento físico de sus partículas más pequeñas.
La idea de granularidad física es como la imagen de televisión. Si amplía la imagen, verá que está formada por píxeles individuales. El mundo cuántico es similar. Si amplía los detalles de la materia, eventualmente verá unidades elementales de materia y energía con sus propias características únicas.
En el mundo físico, la materia está formada por átomos como bloques de construcción. Los átomos, a su vez, están formados por electrones que rodean un núcleo. Las partículas nucleares, como los protones y los neutrones, están formadas por quarks.
Si miras un píxel individual, no sabes casi nada sobre la imagen más grande. Sin embargo, los píxeles que trabajan juntos pueden crear una enorme complejidad en color, forma e incluso movimiento a partir de solo los colores de los píxeles: rojo, azul, verde y apagado. Lo mismo ocurre con los componentes básicos cuánticos de la física.
¿A qué sabe lo cuántico?
De hecho, las propiedades de toda la materia están definidas por la física cuántica. Esto se debe a que las fuerzas físicas del átomo que lo unen (incluidas las propiedades cuánticas de las partículas elementales dentro del átomo) determinan la estructura física y electrónica de los átomos individuales.
Más específicamente, la forma en que se distribuye la carga electrónica en el átomo decide las propiedades eléctricas del átomo. Las propiedades electrónicas del átomo determinan cómo los átomos se unen a otros átomos para crear moléculas.
Los átomos con propiedades electrónicas similares se enumeran en la misma fila de la tabla periódica , que describe la química de esos elementos. La estructura eléctrica de las moléculas decide cómo funcionan y se unen las moléculas para crear materiales más complejos, como metales, líquidos, gases y compuestos orgánicos. Esto incluso te incluye… ¡a ti! ¡Sí, eres cuántico!
Entonces, cuando experimentamos los materiales (la forma en que se sienten, huelen y se ven), sus propiedades generales «masivas» están determinadas por la estructura física de los componentes elementales de la cuántica y sus propiedades eléctricas. ¡Básicamente estamos saboreando, viendo y sintiendo los campos electromagnéticos de la materia!
¿De dónde vino la cuántica?
Aunque últimamente se ha oído hablar mucho de ello, la física cuántica no es nueva. Fue profundamente explorado y desarrollado a principios del siglo XX. La naturaleza cuántica de nuestro mundo se descubrió cuando los modelos matemáticos de la época no coincidían con las observaciones físicas.
Curiosamente, los científicos descubrieron fotones , o partículas de luz, que intentaban comprender la intensidad relativa de los diferentes colores emitidos por la bombilla recién inventada. ¡Fue realmente un descubrimiento práctico!
Al final, los científicos aprendieron que la física en la escala de partículas elementales (y en las escalas más finas de energía, espacio y tiempo) tenía características y comportamientos diferentes a los de los objetos con los que interactuamos en nuestra vida cotidiana, como pelotas de béisbol o automóviles. Como se mencionó anteriormente, el descubrimiento fue un universo granular con comportamientos inexplorados, como la superposición, el entrelazamiento y la cuántica.
La superposición es una situación dinámica en la que una partícula puede estar en diferentes estados al mismo tiempo. La superposición es un poco como lanzar una moneda al aire. No es ni cara ni cruz, sino algo intermedio, hasta que deja de girar.
Enredo , como su nombre lo indica, significa que dos cosas siempre están conectadas de una manera que se correlaciona con su comportamiento. Para el ejemplo de la moneda lanzada al aire, la correlación en cinco monedas enredadas significaría que las cinco monedas siempre caerían cara arriba o cara abajo.
Es esta naturaleza novedosa de la mecánica cuántica la que los tecnólogos están tratando de utilizar para avanzar en la tecnología en informática, comunicación, detección y criptografía.
¿Por qué hay tanto revuelo?
Si bien conocemos la mecánica cuántica desde hace más de un siglo, la tecnología relacionada con la cuántica ha progresado rápidamente en los últimos años. Actualmente se está invirtiendo mucho dinero en tecnologías cuánticas.En 2022, el gobierno de Estados Unidos comprometió 1.800 millones de dólares en financiación para la investigación y el desarrollo cuánticos. Las inversiones privadas en tecnología cuántica en Estados Unidos han rozado los 5 mil millones de dólares en los últimos dos años.
Si bien esto podría parecer mucho dinero, según algunos informes, China ha comprometido 15 mil millones de dólares y la Unión Europea ha comprometido más de 7 mil millones de dólares .
¡Un informe reciente de McKinsey informó un retorno potencial de la inversión de 1,3 billones de dólares para 2035!
Hay mucho en juego en el desarrollo de sistemas cuánticos. En el futuro, es posible que veamos tecnología cuántica:
mejorar la velocidad y la potencia informática;
crear sistemas de comunicaciones perfectamente seguros mediante criptografía cuántica; y
mejorar las capacidades de medición mediante la conexión en red de sensores cuánticos, como relojes atómicos y magnetómetros.
Si bien las capacidades anteriores se encuentran en algún lugar del futuro (algunas más distantes que otras), aunque no lo sepas, interactúas con la tecnología cuántica a diario.Cuántico en el baño
En la tecnología moderna, utilizamos la mayor parte de las propiedades cuánticas de los átomos, la luz y los materiales para habilitar tecnologías como láseres, relojes atómicos y sensores.Semiconductores
Los semiconductores son materiales diseñados para comportarse en algún lugar entre los metales (conductores) y el vidrio (aislantes). Debido a que se pueden fabricar para inducir el movimiento de los electrones o bloquear el movimiento de los electrones, estos poderosos materiales se utilizan en múltiples tecnologías modernas como interruptores electrónicos rápidos.Por ejemplo, las computadoras y los dispositivos electrónicos portátiles pueden tener hasta billones de semiconductores utilizados para computación y almacenamiento de datos. Los detectores de movimiento, los paneles solares, los LED en las bombillas y muchos láseres y sensores se basan en semiconductores que convierten la luz en electricidad o viceversa. Los semiconductores son tan omnipresentes que el año pasado el mercado mundial anual estuvo cerca de los 600 mil millones de dólares.
Detectores de movimiento
Los detectores de movimiento, mencionados anteriormente, convierten la luz reflejada desde una superficie, como la ropa o el cuerpo, para crear una señal eléctrica que actúa como un interruptor. Se trata de un fenómeno cuántico llamado efecto fotoeléctrico, que le valió a Albert Einstein el Premio Nobel. Los detectores de movimiento se utilizan para abrir las puertas de los supermercados, encender una luz en su casa o abrir un grifo en un baño público. Sí… ¡cuántico está en tu baño!Láseres
¡Los láseres son tan comunes en la vida moderna que puedes comprarlos por menos de $10 para entretener a tu gato! Se utilizan en la construcción para mantener el nivel, en medicina para cirugía y para controlar televisores y cajas de vídeo de forma remota. La gente también los usa para almacenar datos o para rejuvenecer la piel y eliminar el vello.Los láseres funcionan según el principio cuántico de emisión estimulada . En la emisión estimulada, toda la luz emitida tiene el mismo color o “longitud de onda”. Los espejos del láser garantizan que la luz salga en la misma dirección.
En este caso, las longitudes de onda de la luz emitida por un láser se suman, formando una onda súper fuerte. En esta ola, los picos y valles de la ola se alinean perfectamente.
Esto es un poco como cuando todos los instrumentos de una orquesta tocan la misma nota al unísono, creando una onda sonora poderosa y resonante. Cuando todas las ondas de luz de un láser se suman, crean una fuente de luz dirigida y cooperativa que se puede utilizar para el mecanizado y la soldadura con láser. Esta potencia luminosa también puede sondear y estudiar la estructura electrónica de los materiales, lo que se denomina espectroscopia , o puede utilizarse para viajar distancias masivas en el espacio.
Relojes atómicos y GPS
Los relojes atómicos se han utilizado para ayudar a estandarizar el tiempo a nivel internacional desde 1967. Estos relojes utilizan la estructura electrónica del átomo para crear una señal de sincronización altamente regular al hacer circular electrones entre dos niveles de energía cuántica. Debido a que los relojes atómicos son tan precisos y estables, son fundamentales para garantizar una navegación precisa en el GPS. Utilizando GPS, Internet y torres de telefonía celular, los relojes de los dispositivos electrónicos portátiles de todo el mundo se sincronizan con los relojes atómicos del NIST y otros laboratorios nacionales. Sorprendentemente, ¡NIST utiliza sus relojes para ayudar a sincronizar el 80% de los dispositivos electrónicos portátiles en todo el mundo!Cómo unirse a la revolución cuántica
Muchas de las aplicaciones anteriores se desarrollaron durante lo que muchos llaman la primera revolución cuántica. En términos generales, estas tecnologías aprovechan el comportamiento electrónico colectivo de los átomos, la materia y la luz.Algunos tecnólogos creen que estamos entrando en la segunda revolución cuántica, que aprovechará la naturaleza más exótica de la mecánica cuántica, es decir, el entrelazamiento cuánticoIlustración del concepto de física cuántica conocido como “superposición”. En el mundo clásico ordinario, un patinador podría estar en un solo lugar o posición a la vez, como el lado izquierdo de la rampa (que podría representar un valor de datos de 0) o el lado derecho (que representa un 1). Pero si un patinador pudiera comportarse como un objeto cuántico (como un átomo), podría estar en una “superposición” de 0 y 1, existiendo efectivamente en ambos lugares al mismo tiempo. Crédito: N. Hanacek/NIST
El entrelazamiento, la superposición y el comportamiento correlacionado en los sistemas cuánticos pueden permitir que una computadora cuántica supere a las computadoras clásicas. Los sistemas cuánticos también pueden crear códigos irrompibles para la criptografía, lo que tiene implicaciones preocupantes para la ciberseguridad. Afortunadamente, investigadores del NIST y de otros lugares están trabajando para desarrollar un cifrado poscuántico que sería difícil de descifrar incluso para las computadoras cuánticas.En una nota más divertida, parte del comportamiento de la mecánica cuántica creará potencialmente oportunidades completamente nuevas que podrían revelarse a medida que más personas se vuelvan creativas y se involucren en las tecnologías cuánticas. Ningún científico en la década de 1960 pensó que el láser se usaría para rejuvenecimiento de la piel o juguetes para gatos, pero a medida que la participación se diversifica, comienzan a surgir más aplicaciones novedosas y comerciales.
En este Día Mundial de la Cuántica , para obtener más información sobre las oportunidades educativas cuánticas y cuánticas, consulte el increíble trabajo que se está realizando en torno a la Asociación Nacional de Educación Q-12 .
O simplemente continúe haciendo preguntas y sintiendo curiosidad. ¡Quizás algún día comercialices el próximo gran descubrimiento cuántico o descubras cómo llevar el cuántico 2.0 a las masas!
Tecnología de la información y física
Tara Fortier
Tara Fortier es física y líder de proyectos en la División de Tiempo y Frecuencia del NIST. Lidera un grupo de investigación que realiza investigación tanto básica como aplicada en las áreas de desarrollo de fuentes láser…
NIST