qué son y cómo se relacionan
La física cuántica, la mecánica cuántica y la computación cuántica son tres conceptos relacionados entre sí, pero que en ocasiones se confunden. La física cuántica es el campo de la física que permite entender el mundo a escala subatómica; la mecánica cuántica es la formulación teórica y matemática que describe estos fenómenos (por ejemplo, la ecuación de Schrödinger y el principio de incertidumbre); y la computación cuántica es la aplicación tecnológica de esos principios para crear algoritmos que procesan la información de manera diferente a los convencionales y, en algunos problemas, de forma mucho más eficiente y veloz.
En este sentido, la computación cuántica no se entiende sin la física cuántica y, en particular, sin la mecánica cuántica que la fundamenta. Al mismo tiempo, los avances en computación cuántica permitirán al ser humano hacer cálculos y operaciones matemáticas a una escala nunca vista, lo que podría acelerar el conocimiento científico.
Revolución en la física
Hace aproximadamente un siglo, la física experimentó una profunda revolución. Durante siglos, las leyes de la física clásica habían servido para explicar el comportamiento del mundo que nos rodea. Entre ellas estaban las leyes de Newton, que describen el movimiento de los objetos, así como teorías fundamentales como el electromagnetismo o la termodinámica. Cuando los científicos comenzaron a estudiar la materia a escala atómica, comprobaron que estas teorías no bastaban para explicar ciertos fenómenos, que parecían regirse por reglas diferentes.
En 1900, Max Planck estudiaba la radiación de los llamados cuerpos negros, objetos que absorben y emiten radiación. La física clásica predecía que la intensidad de esa radiación aumentaría indefinidamente con la frecuencia de la luz, pero los experimentos mostraban lo contrario: a frecuencias altas la intensidad disminuye, y las ecuaciones clásicas no explicaban el fenómeno. Para resolver esta contradicción, Planck propuso que la energía no se intercambia de forma continua, sino en pequeñas cantidades discretas llamadas cuantos cuyo tamaño está definido por una constante que lleva el nombre de su descubridor, la constante de Planck.
En 1905, Albert Einstein propuso que la luz está formada por partículas llamadas fotones, cuantos de energía cuya magnitud depende de la frecuencia de la luz y está determinada por la constante de Planck. Esta idea ayudó a explicar por qué la luz puede comportarse tanto como una onda como como una partícula. Dos décadas después, a mediados de los años veinte, físicos como Werner Heisenberg y Erwin Schrödinger desarrollaron las primeras formulaciones matemáticas de la mecánica cuántica, la teoría que describe el comportamiento de la materia y la energía a escala microscópica.
Poco después, Heisenberg formuló el principio de incertidumbre, que establece que existen pares de propiedades físicas que no pueden conocerse simultáneamente con precisión absoluta. El ejemplo más conocido es el de la posición y el momento de una partícula: podemos conocer la posición de una partícula, pero entonces no podremos conocer con precisión cuál es su movimiento en ese momento, y viceversa. Es decir, no podemos conocer ambas propiedades al mismo tiempo.
Aplicaciones de la física cuántica
La física cuántica ha servido para que el ser humano sea capaz de entender la naturaleza a escala atómica, y este conocimiento ha permitido desarrollar avances técnicos y científicos que ahora damos por supuestos. Uno de los más relevantes es el de los transistores, que son la base de la electrónica moderna. Gracias a la física cuántica se conoce cuál es el proceso para controlar el paso de electrones por un material y que funciona como un interruptor: el apagado se representa con el 0 y el encendido con el 1.
Otro de los avances más relevantes es el del láser, que responde a los principios que estableció Einstein sobre el comportamiento cuántico de la luz. Las aplicaciones del láser son imprescindibles para entender el mundo de hoy en día, ya que es clave en la fibra óptica, para los lectores de códigos de barras y para gran parte del funcionamiento de las telecomunicaciones.
También se han desarrollado tecnologías médicas como la resonancia magnética, que aprovecha propiedades cuánticas de los núcleos atómicos para obtener imágenes detalladas del interior del cuerpo. Estos avances, junto a otros, se suelen agrupar bajo el nombre de primera revolución cuántica. Hoy, los científicos creen que estamos entrando en una segunda etapa: la de las tecnologías cuánticas avanzadas, entre las que destaca la computación cuántica.