2025 año Internacional de la Ciencia y la Tecnología Cuánticas

La UNESCO ha proclamado 2025 como el Año Internacional de la Ciencia y la Tecnología Cuánticas.
Esta iniciativa busca concienciar al público sobre la importancia de la ciencia cuántica y sus aplicaciones, así como celebrar y reconocer los 100 años del desarrollo inicial de la Mecánica Cuántica.
(Ver artículo en nuestra página: ¿Qué es la mecánica cuántica?)[[1]]

Heisenberg

Schrodinger

Dirac

La formulación de la teoría se produce entre 1925 y 1926 y la realizan fundamentalmente Werner Heisenberg, mediante el desarrollo de la "mecánica matricial", Erdwin Schrödinger, con una teoría equivalente llamada "mecánica ondulatoria" , en la que derivó la ecuación que lleva su nombre, y Paul Dirac, quien unifica y generaliza ambas formulaciones.
También en 1925 Wofgang Pauli realiza otro aporte fundamental a la teoría al postular el llamado Principio de Exclusión [2].
En 1926 Max Born realiza otro gran aporte: introduce el concepto de densidad de probabilidad asociado a la función de onda. [3].

Es sobre la base de ideas muy atrevidas que la Mecánica Cuántica proporciona un nuevo modelo atómico, donde los electrones se representan por medio de una función de onda y no siguen órbitas circulares como en el modelo de Bohr, sino que ocupan "orbitales" con diversas formas.
La teoría es capaz de explicar en forma satisfactoria el átomo de hidrógeno (1926) y predecir los niveles de energía atómicos, proporcionando la base para explicar la tabla periódica de elementos y esencialmente toda la química.
La teoría brinda un marco general para describir todos los sistemas físicos, desde partículas elementales, tales como electrones, quarks, etc., ó núcleos atómicos, átomos, moléculas.... y hasta la estructura estelar.
La teoría implica limitaciones a la precisión con que se puede caracterizar el estado de un sistema, pero realiza predicciones muy precisas sobre los valores medibles de cantidades físicas (energía, spin, etc.) asignando valores discretos (en lugar de continuos).
Su campo de acción es universal e incluye a la mecánica clásica como caso límite, aunque es en los sistemas de muy pequeñas dimensiones, donde sus predicciones difieren radicalmente de las proporcionadas por la física clásica.
Entre los primeros éxitos de la MC se menciona la explicación del decaimiento radiactivo de los núcleos atómicos mediante el efecto túnel (1927) [[4]].
En 1927 Heisenberg introduce el Principio de Incertidumbre: Cuanto más preciso sea el conocimiento de la posición de una partícula, más impreciso será el de su velocidad (o impulso P= m V) [5].
En 1928 Paul Dirac realiza la extensión relativista de la teoría para hacerla compatible con la relatividad especial de Einstein e introduce la ecuación de onda relativista para partículas con masa de espín 1/2 como el electrón[6].

Estados entrelazados
Este concepto, acuñado por el mismo Erdwin Schrödinger, hace referencia a las propiedades especiales que presentan dos o más partículas que están en un estado entrelazado. Estas se comportan como una única entidad, aún estando en sitios diferentes, y separadas por grandes distancias. Más aún, estas partículas presentan correlaciones especiales entre ellas que dan como resultado que si alguna propiedad en una de las partes es modificada, esta modificación también afecta a la otra parte.

1935: La paradoja EPR

Estas propiedades tan especiales desataron en su momento una gran controversia, asociada a la idea de que las extrañas propiedades de tales estados se debían a la presencia de ciertas variables ocultas, como afirmaron Einstein Podolski y Rosen en un famoso artículo de 1935, Einstein, A.; Podolsky, B.; Rosen, N. (1935). «Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?». Physical Review 47: 777-780. En este artículo EPR criticaban los conceptos básicos de la mecánica cuántica, como la no localidad y la operación de medición (el valor de una propiedad se conoce al hacer la medición), afirmando que la teoría era incompleta. Este artículo planteó la que pasó a denominarse Paradoja EPR por las iniciales de los apellidos de sus autores

1964: Teorema de Bell
Afortunadamente esta discusión fue cerrada por John Stewart Bell (foto a la izquierda), quien en 1964 desarrolló una desigualdad matemática, en forma de teorema, conocida hoy como desigualdad de Bell. La desigualdad demostraba que si se asumían las ideas de EPR, es decir, las nociones de localidad y se suponía que la medición era determinista (o sea que el valor de la propiedad medida existía independientemente de la medición) como afirmaban EPR en su trabajo, las correlaciones presentes después de realizar una gran cantidad de medidas nunca deberían exceder un cierto valor. Sin embargo, experimentos posteriores mostraron claramente que este valor era superado cuando se empleaban estados entrelazados, debido precisamente a las correlaciones cuánticas presentes entre ellos, que les confieren características especiales. Estos resultados verificaron las predicciones de la Mecánica Cuántica, mostrando que estaba en lo cierto. (ver en esta página Premio Nobel de Física 2022 [[7]]

El teorema de Bell marcó un hito a partir del cual surgió lo que se conoce como Segunda revolución cuántica, en las décadas de 1980 y 1990, donde se reconoció la importancia y trascendencia del entrelazamiento cuántico. Esto dió origen al área interdisciplinaria de investigación en ciencia y tecnologías cuánticas llamada Información Cuántica.

Las propiedades de los estados entrelazados despertaron entonces un gran interés debido a que estos estados son el ingrediente esencial para la realización de formas completamente nuevas de procesar y transferir la información, tales como la teleportación cuántica[[8]], la computación cuántica[[9]] y la criptografía cuántica[[10]].

Algunos desarrollos conceptuales notables de las últimas décadas:

1981: W. Zurek indtroduce los conceptos de decoherencia y estados puntero, proporcionando una teoría consistente de la medida en la mecánica cuántica
1982: W. Wooters y W. Zurek demuestran la imposibilidad de clonación exacta en la mecánica cuántica y sus profundas implicancias
1984: C.H. Bennett y G. Brassard introducen el concepto de criptografía cuántica (distribución cuántica de claves)

1985: David Deutsch introduce el concepto de computadora cuántica
1989: R.F. Werner introduce el concepto de entrelazamiento cuántico para estados cuánticos generales
1991: A. Ekert introduce la criptografía cuántica basada en entrelazamiento
1993: C.H. Bennett, G. Brassard, W. Wootters y otros introducen la teleportación cuántica, basada en el entrelazamiento cuántico
1994: P. Shor demuestra que una computadora cuántica puede resolver el problema de la factorización en forma mucho más eficiente que uno computadora clásica, transformando el problema de duro a factible
1996: L. Grover demuestra que una computadora cuántica puede resolver el problema de búsqueda de manera más eficiente que una computadora clásica
2001: W. Zurek introduce el concepto de discordancia cuántica, que distingue correlaciones cuánticas no equivalentes al entrelazamiento
2008: C. Caves y otros demuestran que la discordancia cuántica juega un rol central en la computación cuántica basada en estados no puros

Algunos desarrollos tecnológicos basados en la Mecánica Cuántica

La mecánica cuántica ha sido fundamental para el desarrollo de nuevas y revolucionarias tecnologías que son actualmente de uso corriente.
Podemos mencionar entre las más conocidas: el láser, empleado en diversos dispositivos que van desde impresoras, uso en cirugía especializada, en dispositivos de escaneo de datos y para la transferencia de información por medio de fibras ópticas.
En medicina, una herramienta de diagnóstico muy eficiente es la resonancia magnética nuclear que se basa en un fenómeno puramente cuántico.
En particular, el transistor que fue desarrollado por los físicos Bardeen, Brattain y Shockley en 1947, el cual, recordemos, es el componente básico de todo dispositivo electrónico. Tengamos presente que un microprocesador actual contiene del orden de diez mil millones de transistores. Puede entonces afirmarse que sin la mecánica cuántica, no existirían las computadoras electrónicas actuales...

Logros recientes de las nuevas tecnologías cuánticas
Algunos de los últimos desarrollos de estas tecnologías, como es el caso de la criptografía cuántica (ver artículo en nuestra página)[[11]] y de la teleportación cuántica (ver artículo en nuestra página) [[12]], han sido empleados, exitosamente.
En el caso de la criptografía cuántica, esta tecnología fue usada en Suiza en 2007 en las elecciones Consejo Nacional para evitar fraudes.
En 2017, tuvo lugar el primer proceso de teleportación cuántica entre un satélite y la Tierra [[13]], que fue realizado por físicos chinos, quienes teleportaron un estado cuántico entre un laboratorio en el Tibet y un satélite orbitando a 500 kilómetros de la Tierra.

También ha habido avances notables en el campo de la computación cuántica [[14]] , donde trabajan científicos de todo el mundo.
La computadora cuántica emplea las propiedades cuánticas de superposición, entrelazamiento e interferencia para procesar algoritmos cuánticos, que permiten realizar en segundos cálculos que a una computadora clásica le demandarían, en algunos casos, cientos de años o que serían imposibles de realizar en otros.
En 1999 se diseño en IBM, la primera computadora cuántica de 3 qubits capaz de procesar el algoritmo de búsqueda de Grover.
Recientemente IBM ha desarrollado el procesador cuántico Condor que emplea más 1000 qubits, lo que lo convierte en el ordenador cuántico más grande construido hasta la fecha.

El desarrollo de las nuevas tecnologías cuánticas se espera que impacte, a mediano plazo, en distintos campos:
En el desarrollo de nuevos fármacos, de mejor calidad y más eficientes
Avances en el diagnóstico por imágenes mediante la fotónica cuántica
En el diseño de nuevos materiales con propiedades particulares
En el campo del aprendizaje automático y en el de la inteligencia artificial
Desarrollo de nuevas generaciones de sensores para el monitoreo ambiental
Mejora de la precisión de modelos del clima a largo plazo y en la optimización de las predicciones meteorológicas