La ciencia detrás del mundo cuántico de Ant-Man

Imagina un lugar de infinitas posibilidades. Un universo alternativo en el que las leyes de la física y las fuerzas de la naturaleza tal y como las conocemos no han cristalizado. Así describe el físico Spyridon Michalakis, del Instituto Tecnológico de California (Caltech), en Estados Unidos, el reino subatómico, estudiado por la física cuántica y escenario principal de la nueva película de Marvel, Ant-Man and the Wasp: Quantumania, que se estrena en cines el 16 de febrero.

En una entrevista concedida a la cadena de noticias estadounidense NBC, el físico, que actuó como asesor científico del largometraje transmitido por Disney+, afirmó que Ant-Man, al comprender el mundo cuántico, podría reescribir las leyes de la física. "Podía moverse por el espacio y el tiempo de una forma que ningún otro superhéroe puede hacer. No es solo una cuestión de poder. Incluso cambiaría lo que es la noción de masa y levantaría cosas con mucha más facilidad", describió el experto.

Por supuesto, muchas de las habilidades del héroe no son más que ficción, pero ciertas explicaciones científicas para justificar los poderes y acontecimientos de la nueva película se basan en algunos de los conceptos más actuales de la física cuántica. Una de ellas, la teoría del entrelazamiento cuántico, fue galardonada con el Premio Nobel de Física de 2022.

National Geographic habló con expertos para entender qué es la física cuántica y hasta qué punto la ciencia que hay detrás de Ant-Man se ajusta a la realidad.

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¿Qué es la física cuántica?

La física cuántica es un área de la ciencia que estudia el comportamiento de objetos extremadamente pequeños y tiene profundas implicaciones en muchos ámbitos, desde la tecnología, con los ordenadores cuánticos, hasta la cosmología, que estudia la formación del Universo.

En general, la física cuántica estudia el comportamiento de objetos extremadamente pequeños, como átomos y partículas subatómicas. Pero también puede considerarse la base de toda la física. 

"Es el estudio de la naturaleza, de los materiales, de todo lo que compone nuestro universo en la escala más pequeña que podemos identificar, que es la atómica molecular", añade el físico Marcelo Knobel, profesor del Departamento de Física de la Materia Condensada y del Instituto de Física Gleb Wataghin de la Universidad Estatal de Campinas (Unicamp).

"A esta escala se producen fenómenos diferentes si los comparamos con el funcionamiento de nuestro mundo, llamado macroscópico (lo suficientemente grande como para observarlo a simple vista)", explica el profesor.  

Por su parte, Paulo Nussenzveig, profesor del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (USP) y pro-rector de Investigación de la misma institución, señala que la física cuántica tiene la dualidad como una de sus características básicas.

Como ejemplo, el profesor menciona que la naturaleza de la luz es dual, es decir, puede comportarse como onda y como partícula: "Al mismo tiempo que casi todo lo que entendemos sobre la luz se describe mediante ecuaciones ondulatorias (refracción, difracción, colores, etc.), existe el efecto fotoeléctrico que depende de que la luz se comporte como una partícula". Así, el efecto fotoeléctrico es lo que permite generar energía eléctrica a partir de la luz solar.

Además de la luz, los átomos, electrones y neutrones (las partes más pequeñas de una molécula) también pueden presentar un comportamiento tanto de partículas como de ondas. 

En la nueva película de Ant-Man, esta dualidad aparece diluida en otros conceptos más elaborados de la física cuántica, como la decoherencia cuántica y el entrelazamiento cuántico, que solo han podido demostrarse mediante experimentos muy recientes.

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¿Qué es el entrelazamiento cuántico?

En el mundo cuántico del nuevo largometraje de Marvel, el entrelazamiento cuántico jugará un papel importante en el desarrollo de la trama. En el mundo real, según Nussenzveig, el fenómeno muestra potencial de uso en áreas como la transferencia segura de información, la computación cuántica y la tecnología de detección.

La base teórica del fenómeno fue desarrollada en los años 60 por el físico norirlandés John Stewart Bell. Básicamente, el entrelazamiento cuántico es una conexión entre dos o más partículas subatómicas de tal forma que el comportamiento o estado de una de ellas afecta instantáneamente a las demás, aunque estén separadas por grandes distancias.

Para explicar el fenómeno, dice Nussenzveig, Bell habría recurrido a una peculiaridad de su colega, el físico austriaco Reinhold Bertlmann, quien siempre llevaba calcetines diferentes. Si uno de los calcetines de Bertlmann era rosa, por ejemplo, se podía saber inmediatamente que el otro sería de otro color, independientemente de la distancia entre ellos.

"El hecho de que uno de los calcetines sea de un color no cambia el color del otro. La correlación radica en que, si uno es de un color, automáticamente el otro será de otro color, que ya estaba definido. Lo mismo ocurre en el caso de las partículas, pero lo que se analiza puede ser el movimiento, el estado, la energía u otras magnitudes físicas", precisa el profesor de la USP. 

En 2022, tres científicos de la Universidad de Viena (Austria) recibieron el Premio Nobel de Física por realizar un experimento que demostró que el fenómeno es real y puede tener usos prácticos. Para Nussenzveig, el trabajo de estos científicos puede allanar el camino a una nueva generación de potentes ordenadores y sistemas de telecomunicaciones imposibles de piratear.

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"El tipo de correlación asociada al entrelazamiento cuántico es un tipo de correlación más fuerte que cualquiera que entendamos actualmente en términos de probabilidades clásicas. Y eso abre muchas posibilidades en el campo de la seguridad de la información", afirma.

La decoherencia cuántica, un obstáculo para los ordenadores cuánticos

Otro fenómeno cuántico que será importante en el reino subatómico de Ant-Man and the Wasp: Quantumania es la decoherencia cuántica.

Para entender este fenómeno, Nussenzveig indica que es necesario volver a las explicaciones de la dualidad en la física cuántica y el entrelazamiento cuántico: "Lo que diferencia la física cuántica de la clásica es precisamente este comportamiento ondulatorio de la materia, que puede estar en más de un estado físico al mismo tiempo. Pero este sistema es frágil y, al estar interconectado, pierde fácilmente su 'coherencia'". 

La teoría de la decoherencia cuántica trata de explicar la transición de la mecánica cuántica, es decir, cómo interactúan entre sí los elementos subatómicos al comportamiento físico clásico de los objetos macroscópicos. Según el profesor de la USP, la teoría afirma que, debido a la interacción con el entorno, las propiedades cuánticas de un sistema pueden "decaer" o perder coherencia, dando lugar a comportamientos descritos por la física clásica.

Un ejemplo de decoherencia puede verse en la experimentación con partículas cuánticas. Por ejemplo, cuando una partícula, que puede ser un electrón o un átomo, se mide, es decir, sufre una interacción con el entorno macroscópico, su propiedad cuántica (de estar en más de un estado al mismo tiempo) se destruye y asume una posición definida. 

"La decoherencia cuántica es una especie de ruido, o interferencia, que perturba las sutiles interrelaciones entre las partículas cuánticas", explica el profesor. Por ejemplo, cuando hay decoherencia, la partícula que estaba en el punto A y en el punto B al mismo tiempo se convierte de repente en el punto A o en el punto B. Lo mismo ocurre con los estados físicos. Si algo era partícula y onda al mismo tiempo, al perder coherencia empieza a comportarse sólo como partícula o sólo como onda. 

Asimismo, el experto explica que este fenómeno es el que obstaculiza el desarrollo de los ordenadores cuánticos. Esto se debe a que un bit cuántico (unidad de almacenamiento de información en estos ordenadores) tiene la capacidad de almacenar un 0 y un 1 (lenguaje entendido por el ordenador) al mismo tiempo. Como si llevara dos tipos de información en el mismo lugar. Y esto es lo que les permitiría realizar cálculos a una velocidad muy superior a la de los superordenadores actuales. 

Sin embargo, al tratarse de elementos cuánticos, "los ordenadores cuánticos también pasan por esta decoherencia, por lo que es muy difícil conservar la información durante mucho tiempo", afirma Nussenzveig. "Para que sean viables y eficientes, necesitamos desarrollar formas de mantener la coherencia cuántica en grandes sistemas".

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Animales más pequeños del mundo

Durante la nueva película de Marvel, el espectador se verá transportado al mundo subatómico, donde imperan las leyes cuánticas y coexisten las cosas más pequeñas conocidas por el ser humano. 

Además de los átomos, electrones y otras partículas ya mencionadas, puedes conocer a uno de los animales más interesantes desde el punto de vista científico: el tardígrado.

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Los tardígrados son animales invertebrados de unos 0.5 milímetros de longitud que fueron descubiertos en 1773 por un zoólogo alemán, según la Enciclopedia Britannica.

También llamados osos de agua, los tardígrados son conocidos por su aspecto y su capacidad para sobrevivir en entornos extremos. Por ejemplo, estos animales pueden sobrevivir a temperaturas de 150°C y -200°C, y también pueden soportar condiciones de presión intensa, como se describe en el artículo Hardy water bears survive bullet impacts – up to a point (Los osos de agua resistentes sobreviven a los impactos de bala, hasta cierto punto, en español) publicado en Science en 2018. 

En lo que respecta a la física cuántica, estos diminutos animales pueden haberse convertido en el primer "entrelazamiento cuántico" de la historia. Al menos eso es lo que afirma un nuevo estudio que aún está siendo aprobado por la comunidad científica. El artículo Entanglement between superconducting qubits and a tardigrade (Entrelazamiento entre qubits superconductores y un tardígrado, en español) describe un experimento con un tardígrado de la especie Ramazzottius varieornatus. 

El animal se enfrió hasta casi el cero absoluto y se sometió a una presión extremadamente baja para entrar en su forma indestructible. A continuación, se introdujo en el circuito del ordenador cuántico, donde se habría entrelazado temporalmente con dos qubits. Tras unas 420 horas de experimentos, la criatura se calentó y habría vuelto a su forma normal, "volviendo a la vida" como si nada hubiera pasado. 

Para el profesor Nussenzveig, aunque los animales son extraordinarios en sí mismos, el experimento no demuestra nada revolucionario desde el punto de vista de la física cuántica. 

Sin embargo, este experimento explora las posibilidades del mundo cuántico, que ya están revolucionando nuestra comprensión del universo y sus procesos subatómicos. Aún quedan muchos misterios y retos por desentrañar y, quién sabe, los animales microscópicos y los complicados conceptos de la física cuántica pueden desempeñar un papel clave en los futuros avances tecnológicos.