La física cuántica no solo es misteriosa, también es bella

Una investigación internacional que ha liderado la Universidad Complutense de Madrid ha descubierto cómo establecer la frontera entre el mundo cuántico y el mundo clásico.

Más concretamente, ha elaborado un método que permite definir qué es lo que hace que un sistema sea más cuántico que otro: describe cómo caracterizar la “cuanticidad” de un estado. Los resultados se publican en la revista AVS Quantum Science, editada por el Instituto Americano de Física (AIP).

Tal como explica a Tendencias21 uno de sus autores, el profesor de la citada universidad Luis Sanchez-Soto, la idea de determinar cuán cuántico es un estado es algo que ha interesado a la física durante los últimos años.

El grado cuántico que pueda tener un estado es importante para aplicaciones como la computación y la detección cuánticas, tecnologías que son mucho más potentes que sus contrapartidas clásicas.

Para los desarrolladores de estas tecnologías, comprender la ventaja que ofrecen las tecnologías cuánticas requiere conocer el grado cuántico que ofrecen los sistemas físicos implicados.

Para establecer ese grado cuántico existen varias medidas, señala Sánchez-Soto, pero por un lado son difíciles de medir en laboratorio y por otro pueden ordenar estados de manera diferente.

Aproximación original

“Por ello nos planteamos atacar el problema de otra forma: mediante principios de extremo. Estos principios son un presupuesto básico en física. Simplemente nos dicen que una cierta cantidad tiende a ser máxima o mínima en la naturaleza”, explica Sánchez-Soto.

Y añade: “veamos un ejemplo. Existe una magnitud que se llama entropía, que de alguna forma mide el desorden de un sistema. Aunque su medida es difícil, sabemos que la naturaleza tiende a la máxima entropía (al máximo desorden). Ahora imaginamos que echamos una gota de tinta en un vaso de agua. Describir el sistema es muy complicado, pero si sabemos que todo tiende al máximo desorden, podemos predecir que la gota se va a difundir en el agua hasta mezclarse completamente.”

Y concluye: “esa es la idea que hemos aplicado. Hemos encontrado unos principios de extremo que permiten encontrar los estados más cuánticos y los menos cuánticos. Puesto que muchas de las ventajas posibles de la revolución cuántica en la que estamos inmersos (computador cuántico, criptografía cuántica, etc,) dependen de la “cuanticidad”, estos estados que hemos encontrado prometen desempeñar un papel relevante en todas estas aplicaciones.”

Constelaciones de Majorana de algunos de los estados más cuánticos en varias dimensiones. CRÉDITO: Luis L. Sánchez-Soto (UCM).

Una constelación hermosa

El descubrimiento tiene otra dimensión aparte de la física: sencillamente es matemáticamente hermoso, según se explica en un comunicado del AIP.

Un sistema cuántico se puede representar matemáticamente por puntos en una esfera, lo que permite obtener un enfoque intuitivo en la comprensión de un sistema cuántico integrado por varios componentes.

Este tipo de representación se llama constelación de Majorana en honor a su inspirador, el físico italiano Ettore Majorana, desparecido en 1938: consiguió una representación natural y exacta de un espín cuántico, que es la que ha servido a los autores de esta investigación para representar estados cuánticos.

Los investigadores basan su aportación en los llamados estados coherentes, que son estados casi clásicos al tiempo que casi cuánticos: un espacio ideal para determinar el proceso crítico que genera la “cuanticidad.”

En la constelación de Majorana, un estado coherente (por ejemplo, el que ocurre en un láser) se representa como un punto único en el que aparecen reflejados sus aspectos cuánticos. Así se determina la intensidad cuántica de un estado.

Cuando Sánchez-Soto y sus colegas observaron el comportamiento de estos estados extremos en la constelación de Majorana, se dieron cuenta de que era un proyecto matemático «de inmensa belleza», además de útil.