Desde mediados de la década de 1980, muchos científicos sostienen que la aplicación de la física cuántica en el procesamiento de informaciones definirá el futuro de la computación, tal como previó el físico estadounidense Richard Feynman. Sucede que, en principio, las leyes del universo cuántico harían posible un desempeño muy superior al de las máquinas actuales. Pero una peculiaridad del mundo de las partículas subatómicas, comprobada por físicos de la Universidad Federal de Río de Janeiro (UFRJ), puede ser una piedra en el camino del desarrollo de las computadoras cuánticas.
En un artículo publicado el 27 de abril en Science, Luiz Davidovich y sus colegas del Laboratorio de Óptica Cuántica del Instituto de Física de la UFRJ demostraron de qué manera una propiedad esencial para el funcionamiento de una computadora cuántica el enmarañado puede desaparecer repentinamente.
Este fenómeno hace que un conjunto de partículas comparta de manera casi telepática ciertas propiedades, sin ninguna conexión física entre ellas. Eso sólo sucede en escala extremadamente pequeña próxima al tamaño de un átomo en que las leyes de la física clásica dan lugar a la mecánica cuántica. Imaginemos que sea posible enmarañar un par de dados de modo que la suma de los dos sea siempre 7. Mientras que no se arroje el primer dado, no se puede saber cuál será el número sorteado en el segundo. Pero si el primer dado cae con el número 4 para arriba es posible afirmar que, al lanzar el segundo dado, el resultado será 3. En la perspectiva de la mecánica cuántica, mientras los dados ruedan, la probabilidad de aparecer cualquiera de los números es la misma. Los físicos interpretan esa situación como si el dado mostrase los seis números al mismo tiempo.
Esa indefinición, llamada superposición de estados, está en el centro de la teoría cuántica de la información, que explora efectos del mundo cuántico para almacenar, transmitir y procesar información. Mientras los bits de una computadora clásica corresponden a un solo estado por vez (los famosos 0 ó 1 del sistema binario), los bits de una computadora cuántica, apodados qubits, pueden presentar diferentes estados simultáneamente. Con eso, un procesador compuesto por bits cuánticos (átomos, electrones u otras partículas) sería capaz de realizar una cantidad enorme de cálculos al mismo tiempo, y su poder duplicaría cada bit adicionado.
Sucede que la pérdida repentina del enmarañado comprometería el funcionamiento del sistema, pues se perdería el control sobre la información codificada en aquellos qubits. Volviendo a la metáfora, es como si el segundo dado pasase a dar un resultado aleatorio después de lanzarse el primero y la suma de los dos dejase de ser siempre la esperada.
Muerte súbita
Denominado como muerte súbita del enmarañado, el efecto observado por el equipo de la UFRJ ya había sido previsto por físicos teóricos. En un artículo publicado en el 2006 en la Physical Review A, Davidovich formuló, con otros colegas, un método para observar la desaparición del eslabón cuántico entre partículas. En el experimento descrito en el artículo de la Science el equipo hizo una adaptación: en vez de usar átomos, trabajó con fotones, las partículas elementares de la luz. Los diferentes niveles de energía de los átomos fueron simulados por la polarización de los fotones, el sentido de vibración de su campo magnético. La polarización vertical correspondía al nivel más alto de energía, y la horizontal, al más bajo.
El primer paso fue obtener un par de fotones enmarañados. Para ello, los investigadores hicieron un haz de láser atravesar un cristal capaz de absorber la energía de un fotón y emitir dos fotones enmarañados cada uno con la mitad de la energía del original. Los fotones fueron enmarañados de modo tal que presentasen siempre la misma polarización. Así, aunque no se pudiese afirmar de inicio si ellos vibraban en la vertical o en la horizontal, al medir la polarización de uno inmediatamente se determinaba la del otro. Entonces, esos pequeños paquetes de luz fueron guiados por una red de espejos, lentes y otros pertrechos ópticos. En el final del laberinto, un detector medía la conexión entre los fotones. En el trayecto, la polarización de los fotones decaía progresivamente del nivel de energía más alto (polarización vertical) para el más bajo (horizontal). En general, cuando los fotones alcancen la polarización horizontal, ellos dejarían de estar enmarañados. Pero en el experimento de Río el enmarañamiento se perdió antes de eso.
El motivo de la pérdida precoz del enmarañado es la interacción del sistema con el ambiente: a medida que las partículas pierden energía que va al medio, la intensidad del enmarañado disminuye. Pero hay estados en los que la sensibilidad a la interferencia del medio es menor. En nuestro experimento, los fotones con polarización vertical son más sensibles que fotones con polarización horizontal, explica Marcelo de Almeida. Primer autor del artículo de Science, Almeida está en la Universidad de Queensland, Australia, buscando fuentes más eficientes de fotones enmarañados y medios de miniaturizar experimentos como el de la UFRJ. El trabajo de Queensland intenta construir un prototipo de computadora cuántica financiada por las Fuerzas Armadas de Estados Unidos. Encontrar formas de prolongar el enmarañamiento será esencial para disfrutar todo el potencial de la computación cuántica. Sin el enmarañado, la computadora cuántica se convertiría una computadora clásica, dice Davidovich.
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