¿Qué tiene que ver un gato con la física cuántica?

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por Julio García.

Existe en la historia de la ciencia un personaje no tan conocido pero que dejó un gran legado en la historia de la física cuántica. Nos estamos refiriendo al doctor Edwin Schrödinger, quien nació el 12 de agosto de 1887 en Austria y quien se naturalizaría irlandés. En 1933 recibió el Premio Nobel de física.

Sus contribuciones más importantes se dan en el campo de la termodinámica y en el de la mecánica cuántica.

Aquí nos referiremos a su aportación a la mecánica cuántica. Un campo que fue explorado desde el año 1900 cuando Max Planck pudo comprobar que la luz se comporta no necesariamente como ondas, sino también como partículas. De esta idea surge la constante de Planck que es utilizada para calcular la energía de un fotón. Como todos sabemos, los fotones son las partículas que transportan la luz y Planck afirmaba que la radiación no puede ser emitida ni absorbida de forma continua, sino solamente en determinados momentos y pequeñas cantidades denominadas cuantos o fotones. La energía de un cuanto o fotón depende de la frecuencia  de la radiación.

Si la luz se comporta como partículas y no necesariamente como ondas, ¿qué tiene que ver esto con la mecánica cuántica?

La mecánica cuántica le hace honor a su propio nombre porque la palabra cuántico significa que la luz se transmite en forma de paquetes o de cuantos (idea propuesta originalmente por Planck y retomada posteriormente por otros físicos de la talla de Albert Einstein, Werner Heisenberg y, por supuesto, Edwin Schördinger).

De hecho Werner Heisneberg fue quien postuló a finales de 1926 el llamado principio de Incertidumbre que afirma que no podemos conocer al mismo tiempo la velocidad y la posición de una partícula. Esto quiere decir que nunca sabremos en dónde está ubicado exactamente un cuanto de luz o un electrón.

Schrodinger

El físico Erwin Schrödinger

Este principio de incertidumbre fue retomado por Edwin Schrödinger para proponer, en 1935, un experimento mental en el que un sistema está formado por una caja cerrada y opaca que contiene un gato en su interior, una botella de gas venenoso y un dispositivo, el cual contiene una partícula radioactiva con una posibilidad del 50% de desintegrarse en un tiempo dado, de manera que si la partícula se desintegra, el veneno se libera y el gato muere.

De acuerdo con los principios de la mecánica cuántica, y esto es lo que resulta sumamente paradójico e implicará que nuestra idea del sentido común se desvanezca, el gato se encontrará vivo y muerto al mismo tiempo si no abrimos la caja. En el momento en que la abramos, el gato estará vivo o muerto, es decir, dejará de estar en los dos estados posibles y pasará a estar en uno solo.

Este experimento mental se puede llevar a la realidad cuando observamos que los electrones tienen la propiedad de estar en dos lugares al mismo tiempo, lo que implica que pueden ser detectados por el detector “vivo” y por el detector “muerto”. Cuando abrimos la caja y queremos comprobar si el gato está vivo o muerto, perturbaremos ese estado y veremos al gato en alguno de los dos estados posibles: vivo o muerto.

Una descripción clásica del fenómenos nos dice que el gato estará vivo o muerto antes de que abramos la caja, mientras que desde una aproximación cuántica, como ya hemos dicho, el gato estará vivo y muerto al mismo tiempo antes de que abramos la caja.

Estos dos puntos de vista, determinan la manera en la que hoy por hoy concebimos la realidad: la mecánica cuántica va en contra de nuestro sentido común cuando una partícula puede estar en dos lugares al mismo tiempo. Así, nuestros cerebros están diseñados para pensar desde una forma clásica y por esa razón nos parece tan descabellado el principio de incertidumbre de la mecánica cuántica. Pero resulta que todo esto no es una invención humana: a través de muchos experimentos se ha podido comprobar ya las propiedades que tiene el mundo cuántico. Un mundo que nos resulta ajeno porque, finalmente, las reglas de nuestra realidad están escritas desde la perspectiva clásica, donde las cosas no pueden ocupar dos lugares al mismo tiempo (usted no está en dos lugares a la vez ni tampoco las cosas que lo rodean).

Desde una perspectiva puramente mística se piensa que el cerebro funciona de forma cuántica y es gracias a esta forma de procesar pensamientos, como nuestro cerebro tiene una gran capacidad.

Desde una perspectiva más racional y más certera, hoy en día existen intentos por crear supercomputadoras que se basen en los principio cuánticos. Las computadoras normales funcionan a través de un código binario formado por la sucesión de 0 y 1. ¿Pero qué sucedería si pudieran coexistir el 0 y el 1 del código binario al mismo tiempo siguiendo así los principios cuánticos? Seguramente tendríamos computadoras que funcionarían de forma más eficiente. Serían capaces de realizar complejos cálculos a velocidades inimaginables ahora. Tal vez, en uno de estos ordenadores se podría desarrollar algún tipo de inteligencia que se capaz de pensar más rápido que los seres humanos. Esto pertenece al reino de la especulación, pese a que ya existen intentos por crear este tipo de computadoras que, seguramente, en un futuro, formarán parte de nuestra vida cotidiana.

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Científicos dan un nuevo paso en la comprensión del Big Bang

Künstlerische Impression des Quantenraums der Schleifen-Quantengravitation

Actualmente los físicos son incapaces de saber qué sucedió con exactitud durante la Gran Explosión o Big Bang. Tanto la teoría cuántica como la Teoría de la Relatividad fallan a la hora de describir lo que sucedía en aquella densa y caliente sopa de partículas que estaba presente en los primeros minutos en que se formó el universo. Solamente una teoría de la gravedad cuántica que unificara estas dos pilares fundamentales de la física podría proveer de respuestas a preguntas tan importantes respecto a cómo se formó el cosmos.

En este sentido, científicos del Instituto de Física Gravitacional del Instituto Max Planck han hecho un importante descubrimiento hacia esta ruta. De acuerdo con su teoría, el espacio consiste en pequeños bloques. Y tomando como punto de partida a estos pequeños bloques, han podido llegar hasta las ecuaciones de Friedmann, las cuales ayudan a describir el universo y muestran que tanto la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad realmente pueden ser unificadas.

Por casi un siglo las dos mayores teorías de la física han coexistido pero siempre han estado peleadas: mientras que la Teoría General de la Relatividad de Einstein describe la gravedad y todo lo que sucede en el mundo macroscópico, la física cuántica describe el mundo de los átomos y de las partículas elementales. Ambas teorías funcionan muy bien en sus propios límites, sin embargo se derrumban en ciertas regiones extremas y en distancias específicas como en la llamada escala de Planck. En este tenor podemos decir que el espacio y el tiempo no tiene ningún significado, deja de funcionar, en los agujeros negros o durante la Gran Explosión.

Daniele Oriti del Instituto Albert Einstein utiliza un fluido para ilustrar esta situación: “Nosotros podemos describir el comportamiento del agua corriendo a través de la ya conocida y clásica teoría hidrodinámica. Pero si nos vamos a escalas cada ves más pequeñas y llegamos a átomos individuales, esta teoría deja de funcionar y es entonces cuando necesitamos de la física cuántica”.

Así como los líquidos están compuestos de átomos, Oriti se imagina el espacio como algo hecho por delgadas células o “átomos de espacio”, por lo que una nueva teoría es necesaria para describirlos: en este caso una teoría cuántica de la gravedad.

En la teoría de la relatividad de Einstein el espacio es un continuo pero Oriti rompe con esta postura y presenta la idea de células elementales y delgadas que funcionan al mismo tiempo tanto con la mecánica cuántica como con la teoría de la relatividad y de esta forma unifica ambas teorías.

Pero el problema fundamental de todas las aproximaciones a la gravedad cuántica consiste en conjuntar y conciliar las inmensas escalas que existen entre los átomos y las dimensiones del universo y en esto es en lo que está trabajando Oriti y su equipo.

La tarea que tienen ahora es describir cómo evolucionó el espacio en el universo partiendo de estas células elementales.

Y otro punto importante a destacar es que su teoría solamente es aplicable al universo homogéneo y el mundo real es mucho más complejo ya que está lleno de inhomogeneidades como los planetas, las estrellas y las galaxias. Pero el grupo de Oriti ya está trabajando para incluir en su teoría dicha falta de homogeneidad.

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Traducido y editado por Julio García.

Referencia:  Phys.org

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Científicos descubren cómo controlar electrones para desarrollar computadoras cuánticas

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Investigadores de Instituto Niels Bohr, junto con colegas de Estados Unidos y Alemania, han desarrollado un método para controlar un bit cuántico a través de la comunicación cuántica en una serie de puntos, que se comportan como átomos artificiales en estado sólido. Los resultados ya han sido publicados en la revista Physical Review Letters.

En un ordenador convencional, la información está hecha de bits de 0’s y 1’s. En la  computación cuántica, en cambio, estos números pueden convivir simultáneamente, permitiendo un tipo de computación paralela en donde largos números de estados computacionales pueden coexistir al mismo tiempo en una misma máquina.  Esto hace que una computadora cuántica sea exponencialmente más rápida que una convencional. Pero el verdadero problema  con el mundo cuántico radica en que estos estados cuánticos no pueden ser medidos ya que, si son medidos, paradójicamente pierden sus propiedades cuánticas.

“Hemos desarrollado una nueva manera de controlar electrones de tal manera que el estado cuántico puede ser controlado sin ningún tipo de medición”, explica el profesor Charles Marcus, del Instituto Neils Bohr de Copenhague.

Ha explicado que se han podido aplicar estados sólidos clásicos a escala nanométrica con técnicas de resonancia que se aplican en física atómica.

En un material semiconductor existen electrones libres que se mueven entre el material de la estructura.  La información es guardada en el movimiento del electrón que puede subir y bajar. Pero los electrones y su giro deben ser controlados.

“Lo que hicimos fue capturar cada uno de estos electrones en una especie de ‘caja’. Cada caja consiste en punto cuántico, que es un átomo artificial. Los puntos cuánticos están incrustados en el semiconductor y cada punto cuántico puede capturar un electrón. Cuando abrimos y hacemos que cada caja haga contacto con la otra (se utilizaron tres) los electrones pueden ‘percibir’ la presencia del otro. Las tres cajas juntas forman una sola entidad llamada qubit o qubit cuántico”, dice Marcus.

Luego, desde el exterior es enviada

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El profesor Charles Marcus en su laboratorio de la Univesidad de Copenhague. /Crédito: Phys.org

una señal eléctrica y rápidamente se abren las cajas y el sistema comienza a balancearse en una vibración dinámica. Los investigadores pueden utilizar esto para cambiar el estado cuántico de los electrones.

Combinando tres electrones en un punto cuántico triple y aplicando un campo de energía a una frecuencia determinada que separa los niveles adyacentes de energía, los científicos pueden controlar el giro de los electrones sin la necesidad de medirlos,

El próximo paso será crear no solamente una secuencia de tres puntos cuánticos, sino muchísimo más secuencias. Como hemos dicho ya, una secuencia forma 1 qubit, por lo tanto se necesitarán más secuencias para crear más bits para que una hipotética computadora pueda funcionar.

“El potencial de una computadora cuántica es que será capaz de realizar una infinidad de cálculos al mismo tiempo. Por lo tanto será mucho más rápida que una computadora convencional y serán capaz de resolver problemas y otras cuestiones que  actualmente  son imposibles de realizar, debido a que llevarían mucho tiempo”, afirma Marcus,

Hay que decir que, por el momento, las computadoras cuánticas no se utilizarán en nuestra vida cotidiana, ni las podremos comprar en cualquier supermercado. Pero  seguramente en pocos años serán una herramienta útil para hacer investigaciones en laboratorios que las utilizarán para hacer cálculos complejos como los necesarios para predecir el clima o para hacer simulaciones de átomos, moléculas y quizá tal vez hasta de todo el contenido del universo.

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Traducido y editado por Julio García.

Referencia: Phys.org

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Un nuevo principio ayudaría a explicar por qué la naturaleza es cuántica

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Como sucede con los niños pequeños, los científicos siempre se hacen la pregunta de por qué. La respuesta que tienen que resolver es por qué la naturaleza escoge a la física cuántica como una forma sensible de comportamiento.

Sabemos que las cosas que siguen las leyes de la mecánica cuántica, como los átomos, los electrones o los fotones que hacen la luz, están llenos de sorpresas. Pueden existir en más de un lugar al mismo tiempo, por ejemplo, o existir en un estado compartido donde las propiedades de dos partículas muestran lo que Einstein llamaba una misteriosa acción a distancia, sin importar la separación física. Debido a que todo esto ha sido confirmado a través de experimentos, los investigadores están seguros de que la teoría es correcta.

Pero aún sería más fácil de tragar si se pudiera demostrar que la física cuántica surgió a partir de principio subyacentes intuitivos.

Una manera de aproximarse a este problema es imaginar a todas las teorías que uno podría abordar para describir la naturaleza, y luego averiguar qué principios ayudan a destacar la física cuántica.

La Teoría Especial de la Relatividad afirma que nada puede viajar más rápido que la luz. Sin embargo, esto no es suficiente para definir a la física cuántica como la única manera en que la naturaleza se puede comportar. Corsin y Stephanie piensan que han llegado a un nuevo principio útil. “Hemos encontrado un principio que es muy bueno para descartar otras teorías”.

En corto: el principio que debe ser asumido es que si una medición no da información, entonces el sistema que está siendo medido no debe ser perturbado.

La física cuántica acepta que ganar información de los sistemas cuánticos causa perturbación. Corsin y Stephanie sugieren que en un mundo sensible lo opuesto debe ser verdad. Si no aprendes nada luego de medir un sistema, entonces tampoco lo puedes perturbar.

Podemos considerar la famosa paradoja del gato de Schrodinger que es un experimento mental en donde un gato puede existir simultáneamente en dos estados posibles: vivo y muerto (esto es conocido como superposición cuántica). De acuerdo con dicha teoría, es posible que el gato se encuentre simultáneamente vivo y muerto. El verdadero estado del gato se conocerá (se sabrá a ciencia cierta) una vez que la caja sea abierta.

Cuando la caja está abierta, permitiendo así conocer la salud del gato, la superposición colapsa y el gato termina definitivamente vivo o muerto. Y es que el solo hecho de hacer una medición, de observar al gato, hace que su estado sea perturbado.

Ésta es una propiedad general de los sistemas cuánticos. Hacer una medición de la que no puedes saber el resultado de antemano, hará que el resultado cambie para que coincida con el resultado que se obtiene. ¿Qué sucede si miras por segunda vez? Los investigadores asumen que el sistema no evoluciona con el tiempo y que no puede ser afectado por ninguna influencia externa, lo que significa que el estado cuántico permanece colapsado. Entonces esperarías que la segunda medición obtendría el mismo resultado que la primera. Después de todo, “si tu miras dentro de la caja y encuentras un gato muerto, no esperarías volver a mirar después y ver al gato que ha resucitado”, afirma Stephanie. “Se podría decir que hemos formalizado los principios de la aceptación de los hechos”.

Corsin y Stephanie muestran que este principio excluye varias teorías de la naturaleza. Hacen notar que, particularmente, una clase de teorías que llaman “discretas” son incompatibles con el principio. Estas teorías sostienen que las partículas cuánticas pueden tomar solamente un número finito de estados, en lugar de escoger entre un infinito número de posibilidades. La posibilidad de un espacio de estado discreto ha estado ligado con las teorías de gravedad cuántica proponiendo la misma discrecionalidad en el espacio-tiempo, donde la fábrica del universo está hecha por una especie de ladrillos en lugar de ser una suave y continua sábana.

Los investigadores admiten que todavía están muy lejos de responder a la pregunta de por qué, ya que teorías que no nos como la mecánica cuántica, incluyendo a la física clásica, son compatibles con el principio.

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Traducido y editado por Julio García.

Referencia: Phys.org

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Nuevo experimento ayuda a resolver algunos misterios de la mecánica cuántica

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¿De qué está hecha la luz? ¿De partículas o de ondas? Esta pregunta básica ha fascinado a los físicos desde los primeros días en que nació la ciencia. La mecánica cuántica predice que los fotones, partículas de luz, son simultáneamente partículas y ondas. Pero una nueva investigación publicada en la revista Science, y llevada a cabo por físico de la Universidad de Bristol, plantea una nueva hipótesis para comprender el mundo cuántico a través un novedoso experimento.

La historia de la ciencia ha estado marcada por un intenso debate entre quienes defienden que la luz se comporta como partícula y quienes la definen solamente como una onda. Isaac Newton fue un defensor acérrimo de la teoría de partículas, mientras que James Clerk Maxwell (quien propuso su exitosa teoría del electromagnetismo) respaldó la teoría de ondas. Sin embargo, las cosas cambiaron dramáticamente en 1905 cuando Albert Einstein mostró que era posible explicar el efecto fotoeléctrico (que se había mantenido en un completo misterio hasta entonces), utilizando la idea de que la luz está hecha por partículas: los fotones. Este descubrimiento tuvo un impacto inmenso en la física, que contribuyó de forma determinante en el desarrollo de la mecánica cuántica: la teoría científica más precisa.

A pesar de su éxito, la mecánica cuántica presenta un inmenso reto para nuestra intuición. De hecho, la teoría predice con una asombrosa precisión el comportamiento de objetos pequeños como átomos y fotones. Sin embargo, cuando realizamos un acercamiento a estas predicciones, estamos forzados a admitir que son tremendamente contra-intuitivas. Por ejemplo, la teoría cuántica predice que una partícula (como puede ser un fotón), puede estar en diferentes lugares al mismo tiempo. De hecho, puede estar en infinito número de lugares, exactamente como una onda. De ahí la idea de que la dualidad onda-partícula sea fundamental para todos los sistemas cuánticos.

De manera sorprendente, cuando un fotón es observado, se comporta al mismo tiempo tanto como onda o como partícula: ambos aspectos nunca han sido observados simultáneamente. De hecho, el tipo de comportamiento exhibido depende del tipo de mediciones que se realicen. Éste asombros fenómeno ha sido experimentalmente investigado en los últimos años, utilizando aparatos de medición que pueden ser cambiados para medir partículas u ondas, pero nunca se había logrado hacerlo al mismo tiempo.

Con el nuevo trabajo presentado en Science por físicos de la Universidad de Bristol, las ideas pueden dar un giro de 180 grados, ya que han logrado construir y poner en funcionamiento un novedoso aparato de medición que es capaz de determinar con precisión el comportamiento onda-partícula simultáneamente, algo que, como hemos dicho, no se había logrado hasta ahora. Este nuevo aparato está alimentado por la no-localidad que es otro efecto contra-intuitivo de la mecánica cuántica.

Para el doctor Alberto Peruzzo, uno de investigadores, “las medidas de nuestro aparato en nuestro experimento detectaron una fuerte no-localidad que certificó que el fotón se comportó simultáneamente como onda y partícula, lo que representa una fuerte refutación de los modelos en los cuales el fotón es solamente una partícula o una onda”.

Por su parte, el profesor Jeremy O´Brien, director del Centro de Fotónica Cuántica de la Universidad de Bristol, comentó que “para llevar a acabo esta investigación, utilizamos un chip basado en fotónica cuántica, que es una nueva tecnología desarrollada en Bristol que también se está utilizando para desarrollar las primeras computador cuánticas y para realizar estudios más sofisticados y profundos de los aspecto fundamentales de los fenómenos cuánticos”.

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Traducido y editado por Julio García.

Referencia: Phys.org

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