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Récord de coherencia cuántica

Área: Física — domingo, 17 de noviembre de 2013

Consiguen mantener un sistema cuántico en superposición de estados a temperatura ambiente durante 39 minutos.

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La Mecánica Cuántica predice la existencia de superposición de estados. Una partícula puede estar en más de un estado a la vez. Así por ejemplo, un electrón puede estar en los dos estados de spin posibles. Pero cuando se mide la función de onda el sistema colapsa y aparece sólo uno de ellos. El problema siempre fue decir qué es lo que le hace colapsar.
El spin hay que verlo como una propiedad cuántica exclusivamente, sin analogía clásica, que puede adoptar dos sentidos distintos.
En un tiempo se llegó a proponer que el investigador, al observar, era el que producía el colapso. Esta idea, llevada al extremo, hace que existan casos como el gato de Schrödinger o el amigo de Wigner. Al igual que el árbol que cae en el bosque y nadie lo oye, no hacen faltan observadores humanos que colapsen estados superpuestos, los árboles caen y los estados superpuestos colapsan incluso cuando nadie mira. De hecho, basta casi cualquier perturbación para que un estado cuántico colapse. Un estado superpuesto es algo muy delicado. Por esta razón los experimentos cuánticos que pretenden usar estos estados suelen trabajar a temperaturas cercanas al cero absoluto de temperatura. Esto reduce mucho las vibraciones y se consigue mantener la superposición por más tiempo. Pero, ¿por qué es esto importante?
Para construir qubits de futuras computadoras cuánticas, o para que sean factibles, se necesitaría que cada qubit sea una superposición del máximo número posible de estados durante el máximo tiempo posible. Así por ejemplo, el 0 puede ser un estado de spin y el 1 otro. El estado superpuesto podría ser una superposición de espines. Pero si la superposición de estados dura sólo una fracción de segundo entonces no da tiempo a hacer cálculos interesantes con tal hipotético computador. Tampoco se desea una computadora que haya que mantener cerca del cero absoluto de temperatura para que pueda funcionar, temperatura que sólo se alcanza en los laboratorios de Física.
Ahora un equipo internacional de investigadores ha conseguido mantener la superposición cuántica de un sistema durante casi 40 minutos a temperatura ambiente. Esta plusmarca aniquila todas las anteriores, que llegaban a sólo dos segundos como máximo, algo que es casi increíble que sea posible.
En este caso el sistema cuántico consiste en núcleos de fósforo. Estos átomos de fósforo están, a su vez, embebidos en una matriz de silicio. El sistema se mantuvo a 25 grados centígrados y seguía manteniendo la superposición.
Quizás 39 minutos no parezca mucho tiempo, pero sólo se necesita un cienmilésima de segundo para invertir el spin del núcleo de un átomo de fósforo, por lo que se podrían efectuar unos 2 millones de operaciones elementales en ese tiempo con un decaimiento del 1%.
Este resultado abre las puertas al almacenamiento y procesamiento de quibits a temperatura ambiente de forma realista.
Los investigadores prepararon las muestras de silicio dopadas con fósforo a sólo 4 grados sobre el cero absoluto de temperatura dentro de un campo magnético. Con un láser eliminaron un electrón de cada átomo de fósforo, de este modo se obtuvieron iones de fósforo dentro del cristal de silicio. Se hizo esto porque se cree que los electrones son una fuente de ruido que provoca el colapso. Adicionalmente se usó un campo magnético pulsado para orientar los espines y crear la superposición. El 37 por ciento de los iones de fósforo (unos 10.000 millones en total) alcanzaron la superposición requerida.
Entonces se elevó la temperatura hasta los 25 grados centígrados. Los investigadores incluso sacaron el cristal de silicio del criostato y se lo llevaron de paseo por el laboratorio un rato. Se pudo comprobar que la misma proporción de iones permanecía en la superposición de estados y así permanecieron durante 39 minutos, prácticamente sin ruido cuántico. A baja temperatura el estado superpuesto duraba 3 horas.
Este experimento fue equivalente a la escritura de información en un dispositivo de memoria cuántico.
Estos mismo investigadores planean ahora realizar el mismo experimento con átomos de arsénico, antimonio y bismuto (de nuevo la misma columna en la tabla periódica) para ver si el resultado se puede mejorar.
Sin embargo, la computadora cuántica todavía está lejana. Para ello se necesitaría que cada qubit estuviera en un determinado estado superpuesto. En este caso todos los átomos de fósforo estaban en el mismo estado. Aunque otros investigadores ya han resuelto cómo escribir y leer qubits individuales, todavía queda un largo camino.

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Fuentes y referencias:
Nota de prensa.
Artículo original.
Ilustración: Stef Simmons.

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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8 Comentarios

  1. lluís:

    Me sorprende esa afirmación de que los estados superpuestos colapsen sin necesidad de que nadie “mire”. ¿No habiamos quedado en que los propios instrumentos para observar interactúan con los “bichos” cuánticos tales como electrones,fotones o incluso átomos, causando la decoherencia?. ¿No es precisamente la medición de estados cuánticos lo que produce el colapso de la función de ondas?. Por otra parte, sin nadie mira, ¿cómo sabemos que estados superpuestos colapsan?.Quizás lo tenía mal entendido, pero creí que en el micromundo los estados cuánticos permanecen superpuestos, puesto que esa es su naturaleza.Precisamente, ¿No se trata de reproducir con estos experimentos de superposición de estados en laboratorio, esa realidad en el mundo macroscópico?.
    – Y, desde luego, pasar de 2 minutos a 39 con una temperatura de 25ºC y que se mantenga una superposición de estados cuánticos es todo un récord.
    -Después de todo,quizá no sea tan largo el camino que queda hasta el computador cuántico.Ha habido numerosos experimentos que abordan este tema desde distintos enfoques, y algunos parecen muy prometedores. Y ahora, esto.

  2. NeoFronteras:

    Siempre se corre el riesgo de caer en el problema de la interpretación de la MC. O de tener que definir qué es medir.
    Aunque se puede decir que medir es cualquier cosa, cualquier interacción con el entorno o con el instrumental que cause decoherencia, con o sin observadores.

  3. thetimethespaceandandtheman:

    Neo, Luis, me temo que Neo ha tocado un punto tabú.

    La consciencia de los observadores, y el colapso de la función de onda.

    La interpretación de la ‘de-coherencia’, que ‘parece’ que no necesita consciencia observadora (Como dice neo, la interacción con otras cosas), etc.

    Hay un trabajo didáctico que me encanta en esto, es de HENRY P. STAPP (Está en el megablog inútil que he hecho,,:-),,).

    ¿Porque me encanta?, porque enseña a ver desde otra perspectiva, justamente ese núcleo de realidad.

    Y es didáctico, se le comprende (Que no es lo mismo que entender).

    Yo creo que mejor dejamos ese debate, pues creo que no esta resuelto (Como los grandes misterios de la QM), y solo nos podemos fiar de sus ecuaciones.

    Hay trabajos de la universidad de Princeton (relación consciencia-generadores random), de muchos decenas de miles de ensayos, que dan resultado positivo (Pero con un orden de 10^-4 frente a 1 de probabilidad) pero solo se han repetido una vez (En otra universidad, Alemania, creo), y salio también, pero con un orden de magnitud inferior.

    No lo veo definitivo.

    En el plano estrictamente práctico, las redes del estado solido, son estupendos lugares donde se producen estas maravillas.

    Le quitas los electrones que le ligan a la red (Lo que cuentan en este articulo), y el átomo queda ‘encajado’ en ella, y ‘free’.

    Supongo que los fonones de la red ya no le afectan.

    ¿Veis la maravilla de esto (Que lo es) y No os habéis dado cuenta de la maravilla de una memoria flash de 8 GBytes en el tamaño de unas lentejas?.

    Es la misma idea, usar redes de estado solido, para en ellas, creas ‘islas’ aisladas de interacción.

    En el caso de las memorias Flash de Gigabytes, son electrones inyectados en zonas ‘trampas’.

    ¿Cuanto dura la carga en un peine al que cargáis pasándolo por vuestro jersey?.

    La física del estado solido tiene muchas grandezas.

    Saludos.

    Javier.

  4. r:

    Me parece muy importante que cuando se explique algún tema de mecánica cuántica a quienes no somos físicos, se nos aclare que el acto de medir no es lo mismo que el de observar. Conocí un sitio web que explica el experimento de la doble rendija mediante un vídeo muy didáctico, el vídeo está en youtube y se llama “What the bleep! The double slit experiment español”, pero el vídeo tiene esa pequeña confusión que se explica arriba sobre qué es realmente medir y qué observar, pues este vídeo al final pregunta (hablando acerca del extraño comportamiento de la ondícula) “¿Y qué tiene que ver un observador con cualquiera de estas cosas?” y a continuación responde “El observador colapsó la función de onda… simplemente por observar”.

    Sin lugar a duda, se debe procurar no tener una idea errónea o equivocada de las cosas o de lo contrario se tendrá dificultades para entender correctamente otros temas relacionados.

    Se agradece el trabajo realizado aquí.

    Saludos.

  5. Francisco:

    En mi opinión, y partiendo de mis escasos (nulos) conocimientos de física quántica; el problema de como colapsa la función de onda, nace del mismo corazón de dicha física, que es la energía; sabemos que un fotón permite el colapso de dicha función de onda,también sabemos que la oscilación electrónica va en función a la masa que existe alrededor, y la temperatura,en mi opinión y corregidme si me equivoco, el colapso se produce cuando cualquier otra onda energética de cualquier otra fuente energética, atraviesa el sistema y este deja de estar aislado (cosa importante para su medición), esto se produce, porqué ello produce un aumento en la densidad de carga entre las ondas hasta colapsar en un electrón, por ello no es cuando miramos o cuando medimos con elementos electrónicos; en ambos casos existe una onda con una fuente energética, bien del dispositivo o del observador, que produce el colapso. Corregidme si mi hipótesis la veis incorrecta. Saludos, y por cierto felicidades por la pagina

  6. thetimethespaceandandtheman:

    Efectivamente estimados r., luis, y neo.

    La naturaleza no nos necesita para funcionar.

    Ahora mismo, en cualquiera de nuestros teléfonos mobiles, hay diodos de efecto túnel (Usados para estabilizar tensiones de menos de 5 voltios, las baterías de ion-litio son de 3.7) en donde billones de electrones están colapsando sus funciones de onda a un estado final.

    Pasa la zona despoblada, o no la pasa.

    Y no necesitan ningún observador.

    La corriente media, se mide perfectamente.

    Eso si, si cualquiera de nosotros quiere saber si en un instante concreto ha pasado o no un electrón por el diodo, entonces, como dice muy bien ‘r.’, ‘se observa’.

    La naturaleza no necesita la consciencia para funcionar, pero si la consciencia desea saber en que estado está la naturaleza, si aparece ese ‘efecto’ de colapso.

    Lo primero, es medir, lo segundo, observar.

    En el 1º caso, nadie gana información.

    En el 2º, si, el observador.

    Recuerdo hace unos años una entrevista que le hicieron a John Bell (Un irlandés de Belfast, Falleció en 1990) y le preguntaron sobre esto y muy sensatamente contesto que en los experimentos que salen de su tesis, no se necesita ningún observador.

    Gracias neo por este articulo, 39 minutos, como dices, da para muchos cálculos, mas bien dicho, para fijar muchos estados iniciales, y medir los finales.

    Que yo sepa, ya hace un año que hay computadoras comerciales de este tipo.

    Saludos.

  7. NeoFronteras:

    Por desgracia, algunos libros nefastos de divulgación introdujeron entre el público la idea mágica y no científica de que el observador con su “consciencia” colapsa el mundo cuántico como un semidios o algo así, colocando al ser humano como algo central en el asunto.
    La realidad es que las libélulas del Carbonífero estaban allí, aunque no hubiese humanos para observarlas.

  8. bleep:

    concuerdo con Neo, la comprensión no tiene porqué desbordar el significado, el planteamiento del problema no tiene porqué modificarse con la respuesta aunque genere distintas preguntas… A menudo los obstáculos en laciencia son problemas epistemológicos.

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