Superposición cuántica

En Física se hacen tantos experimentos y tan difíciles que esta actividad se ha convertido en una especialidad. Sin embargo, a veces se hacen también experimentos virtuales que no necesitan más instrumentación que la imaginación de cada cual. Creo que Einstein era aficionado a esta clase de experimentos. Hagamos uno.

Pensemos en una chica joven que todas las tardes ve pasar por delante de su ventana a un chico del barrio que ella conoce. Es verano, el chico tiene seis camisetas para ponerse y cada tarde se pone una de ellas. Como a la chica le gusta la ropa, cuando se acerca la hora va pensando qué camiseta traerá puesta el chico ese día, cosa que descubre cuando lo ve y ya se olvida del asunto. Lo que sí ha observado es que no se las pone con la misma regularidad. La blanca se la pone más a menudo que la azul, ésta más a menudo que la verde y así con las demás. Esto lo encuentra natural, pues seguramente se pone más a menudo la camiseta que más le gusta.

Esto mismo ocurre en mecánica cuántica. Cuando un experimento tiene varias soluciones (varias camisetas) con distintos grados de probabilidad, cuando hago una medida (cuando ella lo ve al pasar por delante de su ventana) me da el valor correspondiente a una de esas posibles soluciones, dándome más a menudo los valores de las soluciones más probables. Hasta aquí todo ocurre como ocurría con las camisetas. Pero hay una diferencia esencial, y es que en física cuántica todas las posibles soluciones del proceso van evolucionando al mismo tiempo, aunque cuando se hace una medida se manifiesta solo una de ellas. Exactamente como si el chico que pasa por la ventana llevara puestas todas las camisetas, aunque al ser observado solo podamos ver una de ellas. Difícil de entender, pero así es. Esta forma de evolucionar de cualquier experimento cuántico se llama Superposición. Creo que esto es lo que nos quería decir Schrödinger cuando, en su famoso ejemplo, nos decía que el gato estaba vivo y muerto al mismo tiempo.

Así es la naturaleza. Un fotón puede existir simultáneamente en todos sus estados posibles. Si un fotón puede ir de A a B por varios caminos, irá simultáneamente por todos ellos, exactamente como si tuviera la facultad de estar al mismo tiempo en varios sitios distintos. Pero a esta maravilla la naturaleza le impone una condición: que nada ni nadie perturbe el sistema en su evolución, que nada interaccione con él. Es decir, que nadie lo observe, que nadie lo mire. Cuando alguien lo mira, es decir, cuando alguien lo observa haciendo una medida, el sistema colapsa en uno de sus estados posibles, que es el que nosotros medimos, el que nosotros vemos.

Este comportamiento del fotón es posible porque estas partículas, además de comportarse como partículas tienen también carácter ondulatorio. Se comportan como partículas y como ondas al mismo tiempo. Si pensamos en la propagación ondulatoria de un campo electromagnético y nos preguntamos dónde están los fotones, nos contestarán que están en todas partes, pero en ninguna en concreto. Pero esto tan extraño no es ciencia ficción, porque estamos hablando de la naturaleza, y tenemos que admitir que los fotones llevan aquí muchos más años que nosotros. Solo ocurre que su modo de ser es distinto de todos los modos de ser que encontramos en el mundo macroscópico, de la misma manera que el modo de ser de una herramienta es también distinto del modo de ser de una piedra tirada en un camino.

Pensemos pues que esa capacidad que tienen los fotones de existir simultáneamente en todos sus estados posibles no es otra cosa que un modo de ser distinto del nuestro, un modo de ser que se conserva en el mundo microscópico de las partículas, pero que no se transmite a la materia cuando ésta se crea. Recordemos que la creación de la materia fue posible gracias a que tanto los electrones como los quarks pueden presentarse bajo apariencias distintas, pero que sin embargo la materia así creada no posee esta singularidad.

La superposición tiene una aplicación enorme en la computación cuántica. Pensemos solo que en los ordenadores actuales se hacen varios trabajos a la vez porque se van troceando y se van haciendo sucesivamente pequeños trocitos de cada uno de ellos. En la computación cuántica estos mismos procesos se hacen de forma simultánea, pero de verdad, es decir, todos al mismo tiempo. Otra aplicación la encontramos en el uso de los sistemas binarios, pues en los ordenadores actuales se trabaja con sistemas binarios de unos y ceros mientras que en la computación cuántica se puede trabajar con sus equivalentes y con la superposición de ambos. También creo que la superposición es importante para la decodificación de mensajes cifrados, que con frecuencia requieren la descomposición en factores primos de grandes números mediante el procedimiento de prueba y error, porque superponiendo posibilidades se podrán hacer en poco tiempo cálculos que ahora requieren meses.

Fotografía, Carmen Reina