La superposición cuántica es un concepto que cada vez se está oyendo más y más. Esta propiedad de la naturaleza se está utilizando en las semillas de las computadoras cuánticas, la teletransportación cuántica y el Internet cuántico. Sin embargo, son muchas las personas que no conocen bien sobre la superposición cuántica y les suena a chino.
En este artículo vamos a contarte qué es la superposición cuántica, sus características e importancia.
Qué es la superposición cuántica
La superposición cuántica es un principio fundamental de la mecánica cuántica que expresa la existencia simultánea de un sistema físico, como un electrón, en todos sus posibles estados teóricos. Cuando se observa, sólo puede «colapsar» en una de estas configuraciones. Esta «congelación» es aleatoria pero se basa en las leyes de la probabilidad.
Una forma de entender la superposición cuántica, al menos de forma simplificada, es pensar que una partícula puede estar en dos estados excitados al mismo tiempo, pero una vez observada solo revela uno de ellos. Por tanto, la superposición se utiliza ampliamente en la computación cuántica. Un «qubit» o cúbit puede tomar tanto los valores 0 como 1; a diferencia de un bit, un bit debe ser 0 o 1.
Este estado de superposición cuántica es el resultado de una propuesta teórica del duque francés Louis de Broglie, quien propuso en 1924 que los electrones no son partículas sino ondas. Es decir, los electrones no son «bolas» de materia con interacciones clásicas (como colisiones entre bolas de billar), sino ondas que viajan por el espacio. Esto es real.
Superposición cuántica de electrones
Si imaginamos a los electrones como «bolas», la suma de uno más el otro nos da una idea falsa de cómo se comporta la materia porque los imaginamos apilados como bolas. Algunos están arriba, otros abajo y otros a los lados. Sin embargo, la materia no funciona así a nivel cuántico, sólo a nivel macroscópico. Eso es nuestro.
El fenómeno de la superposición cuántica es más fácil de entender desde la perspectiva de que la materia se comporta como ondas. A diferencia de la materia, las ondas pueden superponerse. A nivel cuántico, la materia se comporta como ondas y sucede algo interesante: la materia puede «sumarse» entre sí.
Se puede observar una analogía interesante en la naturaleza. La siguiente imagen muestra las ondas que dejan las gotas de agua en la superficie del agua. Es una onda circular que se propaga a lo largo de una superficie. Cualquiera que haya arrojado alguna vez una piedra a un lago lo sabrá. En principio, cada onda es independiente.
Sin embargo, la superposición de ondas ocurre siempre que dos ondas coinciden. Es decir, sumar o restar sus magnitudes. Cuando las dos crestas se encuentran, el agua sube mucho. Donde hay dos valles, vemos depresiones. Si los picos coinciden con los valles, la suma de las ondas dará como resultado la cancelación.
Ondas y superposición cuántica
Si los electrones son ondas que se mueven por el espacio, sus ondas pueden hacer cosas similares a las que aparecen en el agua. El fenómeno es mucho más complicado, pero he aquí una manera de simplificarlo. Pero la pregunta que preocupa a muchos es: ¿dónde están los electrones?
Según las leyes de la mecánica cuántica, la superposición cuántica puede ocurrir hasta que se observen las partículas. Entonces la función de onda (la que describe la probabilidad de que una partícula tenga un estado u otro, que es como representamos los sistemas de partículas) colapsa o se define como una función de onda más específica.
Si bien no es del todo correcta, se puede utilizar la siguiente analogía. Un globo de helio flota en una habitación oscura. Primero, es imposible saber exactamente dónde está el globo porque hay flujos de aire muy complicados que mueven el globo de un lado al otro. Es posible determinar la probabilidad de que el globo esté ubicado en un lugar u otro. Ésta es su función de onda.
¿Cómo sabes dónde está ahora? ¿Cómo hacer que la función de onda «colapse»? Un experimento que se puede hacer es lanzar dardos. Si el dardo pasa por donde no está el globo, no escuchamos ningún sonido. Sin embargo, si el dardo atraviesa el globo, escuchamos una explosión. La conclusión es: el globo determinará su posición independientemente de que el dardo lo golpee o no. Es decir, «colapsará» en un sentido físico y revelará dónde está.
Si bien no es una analogía perfecta, el ejemplo del globo ayuda a comprender cómo los electrones pueden distribuirse en una determinada región del espacio al mismo tiempo, y cómo sólo cuando lo observas puedes determinar de qué se trata.
Utilidad en la actualidad
Si esta propiedad es tan interesante es porque podría utilizarse para construir ordenadores cuánticos. En 2016, un equipo de investigadores aprovechó las propiedades cuánticas de la materia, incluidos los estados de superposición, para permitir la transmisión de información a larga distancia.
En 2017, otro equipo teletransportó con éxito un estado cuántico entre dos nodos conectados. En 2022, un grupo de investigadores logró teletransportar un estado cuántico entre dos nodos desconectados gracias a que los nodos de Alice, Bob y Charlie estaban conectados uno por uno. A través de estos experimentos, es posible construir un Internet más confiable.
En la actualidad, los científicos están explorando formas de aprovechar esta propiedad para resolver problemas que serían muy difíciles o incluso imposibles de abordar con las computadoras clásicas. En una computadora cuántica, los bits clásicos (0 o 1) son reemplazados por cúbits, que pueden estar en superposición, lo que significa que pueden representar 0 y 1 al mismo tiempo. Esto permite que la computadora cuántica explore múltiples soluciones simultáneamente, lo que resulta en un potencial enorme para resolver problemas complejos en áreas como la criptografía, la simulación de materiales y la optimización.
Otra aplicación intrigante es la comunicación cuántica segura. Debido a la propiedad de la superposición cuántica, cualquier intento de interferir con la información transmitida se detecta de inmediato, lo que podría llevar a sistemas de comunicación prácticamente impenetrables y asegurar la privacidad de la información.
Espero que con esta información puedan conocer más sobre la superposición cuántica, sus características y utilidad.