Glosario cuántico: nociones básicas para comprender la Revolución Cuántica

Átomo

El átomo es la unidad básica de la materia. Todo lo que existe —desde la mesa del comedor hasta nuestro propio cuerpo— está formado por átomos.

Durante siglos, los científicos creyeron que el átomo era la partícula más pequeña posible, algo así como una bolita indivisible. Esa fue la idea que defendió Dalton en 1808. Casi un siglo después, Thomson la matizó: según él, el átomo era una esfera de carga positiva con electrones incrustados dentro, como las pasas en un bizcocho —de hecho, a su modelo se le llamó el “pastel de pasas»”. Pero en 1911, Rutherford lo cambió todo al demostrar que los electrones no estaban incrustados, sino que orbitaban alrededor de un núcleo central, como los planetas alrededor del Sol. Poco después, en 1913, Bohr refinó esa imagen y propuso que esos electrones no se movían de cualquier manera, sino en niveles de energía concretos y bien definidos.

Hoy sabemos que en el interior del átomo hay un núcleo —formado por protones y neutrones, que a su vez están compuestos por partículas aún más pequeñas llamadas quarks— y que alrededor de ese núcleo se mueven los electrones. La física cuántica estudia cómo se comportan todas estas partículas.

Y si te preguntas qué aspecto tendría todo esto a gran escala: imagina que pudieras ampliar un objeto cotidiano hasta una escala gigantesca. Descubrirías que no es tan sólido como parece. El 99,999999999999 % de un átomo es espacio vacío. Si sus partículas internas midieran un centímetro, el átomo en su conjunto sería más grande que treinta campos de fútbol. La materia, en realidad, es casi todo vacío.

Cuanto

Un cuanto es la cantidad mínima en la que se puede intercambiar la energía.

Imagina que estás en una habitación completamente a oscuras. Enciendes una linterna y haces señales: encendido, apagado, encendido. No puedes emitir “medio destello”. O hay luz, o no la hay. Lo mínimo es ese destello.

En el mundo cuántico, la energía funciona de una forma sorprendentemente parecida: no fluye de manera continua, sino en pequeños paquetes indivisibles.

Superposición

La superposición es la propiedad que permite a un sistema cuántico estar en varios estados al mismo tiempo. Como el gato de Schrödinger, dentro de la caja. O como el amigo de Peret, que estaba muerto y de parranda.

Imagina un cubilete con un dado. Lo agitas y lo pones boca abajo. El sentido común nos dice que el dado ya marca un número concreto, aunque no podamos verlo. La física cuántica, en cambio, nos dice que mientras el cubilete lo tapa, el dado marca todos los números a la vez. Solo cuando lo levantas y miras, el dado «elige» uno. Lo mismo con un interruptor de luz: en el mundo cuántico no está ni encendido ni apagado, sino en ambos estados a la vez. Solo cuando intervenimos, cuando medimos, cuando abrimos la caja del gato o cuando nos pasamos por el velatorio de Blanco Herrera para ver si está allí o no, el sistema se decide por uno.

Y lo que decide cuál de todas las posibilidades sobrevive no es ningún criterio lógico: es puro azar.

Colapso de la función de onda

El colapso de la función de onda es el proceso mediante el cual, al medir un sistema cuántico, este pasa de ofrecer múltiples posibilidades a un único resultado. Antes de la medición, una partícula puede estar en varios estados a la vez. Después de la medición, solo en uno.

Coge la baraja del cajón y ponla sobre la mesa, completamente mezclada boca abajo. Todas las cartas son posibles hasta que eliges una y la giras. En ese instante, en cuanto la carta es “medida” y observada, todas las demás posibilidades desaparecen y queda solo una realidad concreta.

Principio de incertidumbre

El principio de incertidumbre establece que no es posible conocer con precisión absoluta ciertas propiedades de una partícula al mismo tiempo, como su posición y su velocidad.

La física clásica era determinista: si sabías dónde estaba una partícula y a qué velocidad se movía, las ecuaciones de Newton te permitían predecir exactamente dónde estaría en el futuro. Una causa, un efecto. Siempre. En 1927, Heisenberg rompió con todo eso: cuanto más precisas su posición, menos puedes saber sobre su velocidad, y viceversa.

Y no es una cuestión técnica. Si quieres observar algo extremadamente pequeño, necesitas iluminarlo, y esa luz inevitablemente lo empuja. Pero la incertidumbre va más allá del problema de medición: es una ley de la naturaleza. Según la interpretación de Copenhague, las partículas no tienen posición ni velocidad definidas hasta que alguien las mide. No es que no lo sepamos. Es que no existe hasta que miramos.

Dualidad onda-partícula

La dualidad onda-partícula describe cómo una misma entidad puede comportarse como una onda o como una partícula. Que sea una u otra depende de cómo se observe.

Fíjate en esta imagen: quien observa la figura desde la izquierda juraría que es un cuadrado. Quien la observa desde la derecha, que es un círculo. Los dos tienen razón. Ninguno se equivoca. Lo que están viendo es el mismo cilindro, desde perspectivas distintas. Con la luz y las partículas pasa algo parecido: la descripción ondulatoria y la corpuscular no se contradicen, se complementan. Son dos formas de asomarse a la misma realidad. El problema es que, a diferencia del cilindro, nosotros no podemos movernos a otra dimensión para verla completa.

Interferencia

La interferencia es el fenómeno por el cual las ondas se combinan entre sí, reforzándose o cancelándose.

Cuando dos piedras caen en el agua. Las ondas se expanden y se cruzan. En algunos puntos, se refuerzan. En otros, se anulan. Ese patrón que se forma en las zonas en que se superponen las ondas es el patrón de interferencia.  

En el mundo cuántico, ocurre lo mismo con la luz e incluso con partículas.

Experimento de la doble rendija

El experimento de la doble rendija demuestra que partículas como electrones o fotones pueden comportarse como ondas.

La cosa funciona así: lanzas partículas hacia una pared con dos pequeñas aberturas. Lo que la lógica nos indicaría a priori es que vas ver dos franjas al otro lado. Pero no ocurre eso. Aparece un patrón complejo de interferencia, como si las partículas fueran ondas. Incluso cuando las envías una a una.

Entrelazamiento cuántico

El entrelazamiento cuántico es un fenómeno por el cual dos partículas quedan conectadas de forma que el estado de una depende del de la otra, incluso a gran distancia.

Mira este cubo. ¿Qué cara está delante? Puedes verlo como si lo miraras desde arriba o desde abajo. Si juegas un poco con la imagen, verás que puedes percibirlo de las dos formas, y las dos son igual de válidas. Lo curioso es que en el momento en que tu cerebro elige una, la otra desaparece. Mientras no lo miras, las dos existen a la vez.

Ahora imagina dos cubos así, entrelazados: lo que uno haga, el otro lo replica. Dale uno a un amigo y mándalo al otro lado del mundo. En el momento en que tú miras el tuyo y tu cerebro elige una cara, el cubo de tu amigo queda definido exactamente igual, al instante, sin importar la distancia.

En el mundo cuántico, este fenómeno no es una metáfora o una analogía: es real.

Attosegundo

Un attosegundo es una unidad de tiempo extremadamente pequeña: una trillonésima parte de segundo. Es una escala tan breve que permite observar fenómenos que antes eran invisibles, como el movimiento de los electrones.

Sitúate en el caso de que intentas fotografiar algo que ocurre casi instantáneamente.

Durante mucho tiempo fue imposible “ver” ese tipo de procesos. Los attosegundos permiten, por primera vez, capturar ese mundo ultrarrápido, como si utilizáramos una cámara súper lenta. Súper, súper, súper lenta.

Fisión nuclear

La fisión nuclear es el proceso por el cual el núcleo de un átomo se divide en partes más pequeñas, liberando una gran cantidad de energía.

Imagina una estructura extremadamente compacta, donde todo está fuertemente unido. Piensa en un muelle comprimido al máximo. Si esa estructura se rompe, si el muelle se libera, la energía acumulada también se libera de forma repentina. Algo parecido ocurre en el núcleo de un átomo cuando se divide. Pero la energía que se libera en la fisión no viene solo de esa «tensión» acumulada: viene de la materia misma. Einstein ya lo formuló en 1905 con la ecuación más famosa de la física, E=mc², que nos dice que la materia contiene una cantidad enorme de energía en su interior. Cuando el núcleo se divide, parte de esa materia se convierte directamente en energía. Y ese es el principio de funcionamiento de las centrales nucleares, que generan energía mediante reacciones controladas.

Qubit

El qubit es la unidad básica de información en la computación cuántica, y es capaz de estar en múltiples estados simultáneamente.

En el mundo clásico, los ordenadores trabajan con bits: unidades de información que solo pueden ser 0 o 1. El qubit es su equivalente cuántico, pero con una diferencia fundamental: gracias al principio de superposición, puede ser 0 y 1 a la vez. Es como si el ordenador trabajara en varios universos al mismo tiempo, explorando múltiples posibilidades en paralelo en lugar de ir una por una. Eso es lo que hace posible la computación cuántica y lo que la convierte en algo radicalmente más potente que cualquier ordenador clásico.

Algoritmo cuántico

Un algoritmo cuántico es un conjunto de instrucciones diseñadas para ser ejecutadas en un ordenador cuántico, aprovechando sus capacidades únicas de procesamiento.

Imagina que estás buscando una salida en un laberinto enorme. Un ordenador clásico probaría camino por camino, descartando opciones una a una. Un algoritmo cuántico, en cambio, puede explorar múltiples rutas al mismo tiempo, como si recorriera el laberinto en paralelo. Eso no significa que siempre sea más rápido, pero en determinados problemas muy complejos puede marcar una diferencia decisiva.

Criptografía cuántica

La criptografía cuántica es un conjunto de técnicas de comunicación segura basadas en las leyes de la física cuántica. El primero en desarrollar un protocolo para esto fue Charles Bennett junto a Gilles Brassard, en 1984.

Es algo así como un recurso que hace posible un sistema de mensajería en el que el mensaje viaja por canales normales, pero la clave para abrirlo se envía de forma cuántica, en forma de fotones, que son partículas de luz. Y esa clave tiene una propiedad: solo se puede leer una vez, porque se altera en cuanto alguien intenta interceptarla. No es que deje una pista, es que la clave queda inutilizada, avisando inmediatamente de que alguien ha intentado hacerse con ella.