¿Qué es la física cuántica y cómo influye en nuestras vidas?

Cada vez que usas el móvil, te haces una resonancia magnética o buscas algo por internet, estás beneficiándote de la física cuántica sin saberlo. Esta rama de la física estudia cómo se comporta la materia a escala atómica y subatómica, un mundo donde las reglas son completamente distintas a las de nuestra vida cotidiana.

La diferencia clave con la física clásica es que esta explica por qué cae una manzana o cómo se mueve un coche, y la física cuántica explica qué pasa dentro de los átomos, y ahí las cosas se vuelven extrañas.

¿Qué es la física cuántica y cómo influye en nuestras vidas?

Para comenzar a entender la física cuántica debemos tener claros tres conceptos fundamentales:

• Superposición: Una partícula puede estar en varios estados a la vez hasta que alguien la mide o la observa. Es como una moneda que, al lanzarla, mientras está en el aire está en cara y cruz simultáneamente.
• Entrelazamiento: Dos partículas pueden estar conectadas de tal forma que lo que le pasa a una afecta instantáneamente a la otra, aunque estén al otro lado del universo. Einstein lo llamó, con cierta ironía, "acción fantasmal a distancia" porque le parecía una consecuencia extraña y problemática, sin embargo los experimentos posteriores han demostrado que es completamente real.
• Incertidumbre: Es físicamente imposible conocer a la vez, con total precisión, la posición y la velocidad de una partícula. No por falta de instrumentos, sino porque la naturaleza funciona así.

Origen de la Física Cuántica: Cómo nació una “teoría loca”

La física cuántica o “teoría loca” como la llamaba Heisenberg, (porque proponía ideas muy difíciles de aceptar), no surgió de golpe, sino de una crisis. A finales del siglo XIX, los físicos se toparon con fenómenos que la física clásica era incapaz de explicar, el problema de la radiación del cuerpo negro, el efecto fotoeléctrico o las rayas espectrales del hidrógeno. Fue entonces cuando, a comienzos del siglo XX, una generación de científicos extraordinarios reescribió las reglas del juego.

En 1900, Max Planck propuso que la energía no se emitía de forma continua, sino en paquetes discretos llamados cuantos. Fue el primer ladrillo de un edificio teórico que en apenas tres décadas cambiaría la física para siempre. Le siguieron Einstein, Bohr, Heisenberg, Schrödinger y muchos otros, configurando la teoría cuántica tal como la conocemos hoy.

29 físicos más importantes de la historia durante el Congreso de Solvay en 1929

Los años posteriores, una generación brillante de físicos construyó la teoría cuántica moderna:

• Einstein (1879–1955), fue una figura paradójica en la física cuántica, ya que contribuyó a su nacimiento al explicar el efecto fotoeléctrico en 1905,proponiendo que la luz está formada por fotones, lo que le valió el Nobel en 1921, pero nunca llegó a aceptarla, por su interpretación tan probabilistica, y es que la probabilidad a Einstein no le gustaba nada porque era muy determinista. Su célebre frase "Dios no juega a los dados" resume su convicción de que el universo está ordenado, y que la aleatoriedad intrínseca de la mecánica cuántica no era un rasgo fundamental de la naturaleza, sino una señal de que la teoría estaba incompleta.
• Bohr (1885–1962), fue otra de las figuras más relevantes de la física cuántica, propuso en 1913 el primer modelo atómico cuántico, en el que los electrones orbitan el núcleo en niveles de energía definidos y solo emiten o absorben energía al saltar entre ellos. Fue el gran defensor de la interpretación de Copenhague, que establece que las propiedades cuánticas de una partícula no existen hasta que son medidas. Su debate intelectual con Einstein probablemente el más fructífero de la historia de la física, duró décadas y sigue siendo estudiado hoy.
• Heisenberg (1901–1976), que formuló el principio de incertidumbre.Este principio consiste en que es imposible conocer simultáneamente, con precisión arbitraria, tanto la posición como el momento de una partícula. Este principio no es una limitación de los instrumentos de medida, sino una propiedad intrínseca de la naturaleza. Su formulación matemática de la mecánica cuántica, la mecánica matricial, fue una de las primeras descripciones formales completas de la teoría. Consiguió el Premio Nobel de la Física en 1932.
• Schrödinger (1887–1961) , desarrolló en 1926 la ecuación de onda que lleva su nombre, una de las ecuaciones fundamentales de la física moderna. Describe cómo evoluciona en el tiempo el estado cuántico de un sistema físico, recibiendo el Premio Nobel de la Física en 1933 junto con Paul Dirac. Para ilustrar las paradojas de la superposición cuántica, propuso su famoso experimento mental del Gato de Schrödinger, en el que un felino hipotético puede estar vivo y muerto simultáneamente hasta que se observa.
• Dirac (1902–1984), fue quien unificó la mecánica cuántica con la relatividad especial de Einstein, formulando la ecuación de Dirac en 1928. Como consecuencia directa de su ecuación, predijo la existencia de la antimateria, partículas con la misma masa que las ordinarias, pero carga opuesta, antes de que fuera descubierta experimentalmente.

¿Dónde está la física cuántica en tu vida diaria?

La influencia de la física cuántica en la vida cotidiana va mucho más allá del laboratorio. Sin la mecánica cuántica no existirían los semiconductores, y sin semiconductores no existirían los ordenadores, los teléfonos móviles, internet ni buena parte de la medicina diagnóstica moderna.

Estas son algunas de las aplicaciones de la física cuántica:

Descubrimientos de la física cuántica más recientes

El Bosón de Higgs, la llamada “partícula de Dios” que explica el universo

El 4 de julio de 2012, el CERN anunció uno de los descubrimientos más importantes de la historia de la física, la confirmación experimental del bosón de Higgs. Esta partícula, ya nombrada teóricamente en 1964 por Peter Higgs y otros físicos, era la pieza que faltaba del Modelo Estándar de la física de partículas, el marco teórico que describe los bloques fundamentales de la materia y las fuerzas que los gobiernan.

El Bosón de Higgs no es cualquier partícula, es la manifestación del campo de Higgs, que permea todo el universo y es responsable de que las partículas elementales tengan masa. Sin él, los quarks y los electrones no tendrían masa, los átomos no podrían formarse y el universo tal como lo conocemos no existiría. Su descubrimiento costó décadas de trabajo y requirió el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), el acelerador de partículas más grande del mundo, con 27 km de circunferencia bajo la frontera franco-suiza.

Peter Higgs y François Englert recibieron el Premio Nobel de Física en 2013 por la predicción teórica del mecanismo que genera masa en las partículas elementales. Es un ejemplo perfecto de cómo la física teórica predice la realidad décadas antes de que los experimentos puedan confirmarla.

Computación cuántica: el siguiente salto tecnológico

Mientras el Gran Colisionador de Hadrones (Large Hadron Collider), el acelerador de partículas más grande y potente del mundo, exploraba los fundamentos de la materia con el descubrimiento del Bosón de Higgs, otra revolución avanzaba en paralelo, la computación cuántica. A diferencia de los ordenadores clásicos, que procesan información en bits con valores de 0 o 1, los ordenadores cuánticos utilizan qubits, que gracias a la superposición pueden representar 0 y 1 simultáneamente.

En 2019, Google anuncióhaber alcanzado la “supremacía cuántica” resolver en 200 segundos un problema que, según sus estimaciones, habría tardado 10.000 años en un superordenador clásico. En 2023, IBM Quantum presentó un procesador cuántico de 1.121 qubits. La carrera está abierta y los físicos cuánticos son sus protagonistas.

Otros descubrimientos recientes relevantes gracias a la física cuántica

• Teletransportación cuántica de información entre redes de fotones, con implicaciones directas para el futuro internet cuántico.
• Relojes atómicos de precisión cuántica que apenas pierden un segundo en 300 millones de años, esenciales para:
  • Sistemas GPS
  • Comunicaciones
• Simuladores cuánticos para el diseño de:
  • Nuevos fármacos
  • Materiales superconductores a temperatura ambiente
• Sensores cuánticos de gravedad capaces de:
  • Detectar estructuras subterráneas
  • Seguir la actividad cerebral con resolución sin precedentes

¿Por qué debería importarte la física cuántica?

Porque el mundo que viene se construirá sobre física cuántica. Los profesionales que la dominen trabajarán en tecnología, medicina, finanzas, defensa y energía. Se estima que para 2030 podría faltar en el mundo hasta 65.000 especialistas en computación cuántica. La demanda ya supera a la oferta, y la brecha solo va a crecer.

Más allá del mercado laboral, la física cuántica también transforma la manera en que entendemos la realidad: qué es el tiempo, si el universo existe cuando nadie lo mira, o si el azar es algo fundamental en la naturaleza. Son las preguntas más profundas que puede hacerse un ser humano, y la física cuántica es hoy la herramienta más rigurosa para intentar responderlas.

¿Qué hace un físico cuántico en la actualidad?

El físico cuántico de hoy trabaja en entornos muy distintos al laboratorio tradicional. Su perfil es más versátil y demandado que nunca.

• En investigación y academia, diseña experimentos, desarrolla modelos teóricos y forma a nuevas generaciones en instituciones de referencia como el CERN, el MIT o el CSIC.
• En la industria tecnológica, empresas como IBM, Google o Microsoft buscan físicos que combinen mecánica cuántica con programación para desarrollar hardware y algoritmos cuánticos.
• En el sector farmacéutico y de materiales, la simulación cuántica de moléculas permite diseñar fármacos con una precisión que los métodos tradicionales no pueden alcanzar. Grandes empresas como Pfizer o Roche ya trabajan en esta línea.
• En finanzas y consultoría, su capacidad de modelado matemático es muy valorada para optimizar carteras de inversión, gestionar riesgos y analizar grandes volúmenes de datos.
• En defensa y seguridad, trabajan en criptografía cuántica y sensores de alta precisión, áreas de interés estratégico para gobiernos de todo el mundo.

¿Cómo convertirse en físico cuántico?

La formación requiere un camino sólido y progresivo. En España, una de las opciones más completas es nuestro Grado en Física de la CEU UCH en nuestro Campus de Valencia.

Nuestro plan de estudios incluye formación en física cuántica, cubriendo tanto los fundamentos teóricos de la mecánica cuántica como sus aplicaciones más actuales. A lo largo de los cuatro años, los estudiantes adquieren una base matemática y física robusta, desarrollan competencias de laboratorio e investigación, y tienen la posibilidad de conectar con proyectos de investigación y empresas del sector.

Además, la universidad cuenta con la Sala Quantum, un espacio con un ordenador cuántico real para docencia e investigación, algo poco común en el panorama universitario español.