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Gato de Schrödinger en dos cajas

Área: Física — Domingo, 29 de Mayo de 2016

Avances en estados colectivos de fotones de microondas facilitan la computación cuántica.

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Según la MC pueden existir estados que sean la superposición de varios. Así por ejemplo, podemos tener un electrón con dos estados de spin a la vez. Una vez medido, la función de ondas del electrón colapsaría a uno en concreto.

La metáfora-chiste del icónico gato que Schrödinger propuso en 1935 se hizo para criticar el absurdo al que podemos llegar cuando asumimos que un estado cuántico superpuesto puede darse en el mundo macroscópico.

Schrödinger propuso un experimento mental en el que se disponía en una caja cerrada un gato, un átomo radiactivo que podía desintegrarse o no al cabo de un tiempo y un sistema que liberaba un veneno gaseoso en caso de desintegración gracias a un contador Geiger. Digamos que el átomo estaba en una superposición de estados en el que estaba desintegrado o no antes de realizar ningún tipo de medición. Si el átomo, el mecanismo de liberación de veneno y el gato se disponían de la manera adecuada de tal modo que formaran un sólo estado cuántico (en un micro-macro entrelazamiento), entonces, según la interpretación de Copenhague, el sistema estaría en una superposición de estados con el gato vivo y el gato muerto a la vez, y la función de ondas sólo colapsaría a uno de ellos cuando el experimentador abriera la caja (realizara la medición), para comprobar así que el gato está o bien vivo o bien muerto.

Obviamente la decoherencia cuántica hace imposible tener objetos como los gatos en una superposición de estados (el estado cuántico pierde su coherencia cuántica al interaccionar con el ambiente que le rodea). No hace falta abrir una caja con un gato real porque el estado ya colapsó hace mucho tiempo y no hay ya superposición de estados.

Además de la superposición de estados, en MC también tenemos la no localidad. Algunos físicos de renombre, como el propio Albert Einstein, se sintieron incómodos con este detalle, lo que les llevó a idear los famosos experimentos mentales EPR.

En este tipo de experimentos se entrelazan cuánticamente dos partículas que podemos llamar Alice y Bob y se disparan en sentidos opuestos. Los estados de de ambas partículas estarán indeterminados hasta que una medida colapse el estado de una de ellas, entonces, automáticamente, el estado de la otra quedará totalmente determinado de manera instantánea, incluso si median años luz de distancia. Aunque no se viola la causalidad relativista, pues el proceso no trasmite información, no deja de ser sorprendente. Si además tenemos en cuenta que la primera partícula en ser medida depende de nuestro sistema de referencia según la Relatividad Especial, no es de extrañar que esta “acción a distancia” le desagradara tanto a Albert Einstein (la E de EPR). Sin embargo los experimentos realizados desde entonces nos dicen que esta no localidad se da en el mundo real.

La MC es contraria a la intuición que hemos adquirido en el mundo macroscópico por dos particularidades principalmente. Uno esperaría que toda teoría clásica fuera “local”, es decir, que un objeto puede ser influido solamente por su inmediata vecindad. La segunda es que debe ser “realista”, lo que significa que los objetos tienen unas propiedades definidas que son independientes de si lo estamos midiendo o no. A raíz de los resultados en experimento de tipo EPR hay que abandonar la no localidad.

Las rarezas de la MC fueron expresadas matemáticamente por John Bell en sus famosas desigualdades. Bell mostró que una particular combinación de medidas realizadas sobre un par de partículas preparadas del mismo modo producirían unos resultados que cumplirán unas desigualdades siempre y cuando la teoría fuese realista y local.

Desde entonces todos los experimentos que se han hecho han contradicho las desigualdades de Bell, así que la MC no puede ser realista y local. Las partículas entrelazadas no pueden describirse como entidades individuales incluso si se tiene en cuenta una conexión “telepática” entre cada miembro del par.

La propuesta del gato de Schrödinger se usa a veces para describir entes que no son gatos, sino estados cuánticos que pueden prepararse en superposición o ser entrelazado. A veces son iones, pero otras son electrones, fotones, dispositivos superconductores o micromembranas vibrantes.

Normalmente se pueden incluso crear sistemas “multipártícula” en la que muchos fotones (por ejemplo fotones de microondas) formen un estado que sea superposición de varios. Esto se puede lograr si se comportan como osciladores armónicos, algo que se puede lograr con microondas en una cavidad. Varios de estos “gatos de Schrödinger” son distinguibles unos de otros.

Ahora, unos físicos de la Universidad de Yale han publicado sus resultados sobre unos experimentos en los que usan estos sistemas multipártícula de fotones en cavidades. Pero han conseguido preparar gatos de Schrödinger de este tipo en dos “cajas” distintas. El logro puede ayudar en la consecución del computador cuántico en un futuro más o menos lejano. Básicamente han conseguido un sistema de dos qubits lógicos con lectura y corrección de errores.

En este caso el gato puede morir o vivir en dos cajas distintas gracias al entrelazamiento. Pero el gato está implementado por unas microondas (en forma de unas decenas de fotones) que están confinadas en dos cavidades cilíndricas tridimensionales distintas fabricadas en aluminio puro y zafiro unidas por un puente superconductor que hace las veces de átomo artificial y de puerto de lectura.

Así que en este caso se usan dos osciladores armónicos entrelazados. Es la primera vez que se consigue algo así.

Para mantenerse dentro del régimen cuántico hay unos 30 fotones en cada cavidad. Si se superan los 80 fotones se pasa rápidamente al régimen clásico macroscópico y desaparece el régimen cuántico microscópico.

El estado cuántico de estas microondas está compartido entre las dos cavidades y no puede ser descrito de forma separada. También se puede considerar, en una visión alternativa, que hay dos gatos de Schrödinger (dos grupos de fotones de microondas) uno en cada caja (cavidad) y están entrelazados entre sí.

La medida se realiza mediante la transmisión de una señal de microondas desde un dispositivo electrónico a temperatura ambiente. Esta señal informa del estado cuántico de las cavidades.

Un hipotético computador cuántico podría en tiempo aceptable abordar problemas irresolubles por un por un computador convencional gracias a que la superposición de qubits permitiría un alto poder de paralelismo. Pero no es fácil conseguir esta meta de un computador cuántico fiable porque la decoherencia introduce errores en el sistema que dan al traste con el cálculo al cabo de una mínima fracción se segundo. Es necesario un sistema que corrija o evite este problema sin que se destruya la información que contenga el sistema cuántico.

Los gatos de Schrödinger del tipo que acabamos de ver pueden ser una buena aproximación para almacenar estados cuánticos y corregir los errores que aparezcan. La tolerancia a los fallos de este nuevo sistema se debe a que la información está codificada de forma redundante en los estados al usar muchos grados de libertad. Así que un gato en dos cajas puede ser el primer paso en la consecución de una operación lógica entre qubits de manera que se puedan corregir errores.

Este equipo de investigadores ha conseguido cavidades capaces de mantener la información cuántica por más de 1 milisegundo en el circuito superconductor y hacer medidas sobre el sistema de un modo no destructivo.

Todavía estamos lejos de un computador cuántico, pero se va avanzado poco a poco. Y todo ello sin comprender bien la Mecánica Cuántica.

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Fuentes y referencias:
Artículo original
Ilustración: Michael S. Helfenbein, Yale University.

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

  1. Phi:

    Muchas gracias por su divulgación.
    Le tengo como fuente favorita para información científica. Un placer leerle.
    Con respecto a este artículo, un ruego, en castellano h-armonía, sin h por favor.

  2. NeoFronteras:

    Gracias, ya está corregido. La mano del idioma inglés es alargada.
    Aunque la RAE admite “harmónico” pese a que está en desuso. Por cierto, viene del latín harmonĭcus y este del griego ἁρμονικός harmonikós. Parece que los ingleses y excolonias conservan mejor la etimología original que nosotros.

  3. Tomás:

    ¡Pero si esa h es la de Sc-h-rödinger! ¡O la misma de p-h-i, que unas veces colapsa y otras no! Ya lo dice la RAE: pones harmonía y te sale armonía, pero con una harmonía poco usada pero que también, o sea que tolerable.
    Aunque siendo “por favor”… ¡Qué complaciente nuestro Neo!

  4. lluís:

    En este tipo de experimentos tan sutiles, siempre me pregunto si “problema de la medida” queda claramente resuelto.

  5. NeoFronteras:

    La interpretación del problema de la medida nunca está resuelto. En cuanto a la medida en sí… A mí también me queda la duda.

  6. Tomás:

    Me alegra que, por fin, se hable en serio del asunto. Dice Neo que “nunca está resuelto” y me pregunto si no existirá alguna razón, algo que se desconozca, una causa como la incompletitud de Gödel, que haga que pueda decirse “nunca estará resuelto”.
    Y excúseme si lo que digo no tiene sentido.

  7. Atanasio:

    Un apunte, apreciados contertulios, sobre este lugar común traído a colación por Neo:”La MC es contraria a la intuición que hemos adquirido en el mundo macroscópico …” Queridos amigos: la intuición que adquirimos en el mundo macroscópico suele ser todo lo contrario de lo que asumen los epígonos de la MC: profundamente ambigua, no local, y decididamente mágica.(Con razón decia Einstein que lo que llamamos “sentido común” es sólo el arrume de prejuicios que adquirimos en nuestros primeros años de vida.) Si me permitís una pequeña gracia, os propongo la siguiente reflexión: ¿el enmarañamiento cuántico no es por cierto un caso paradigmático -¡de laboratorio!- de evidente “simpatía mágica”? Cito la exigua reseña que nos da la wikipedia sobre “La rama dorada” de Frazer, para mayor regocijo: “Ambas esferas de la magia estarán comprendidas bajo el nombre general de magia simpatética (en el original inglés simpathetic, que textualmente se traduciría ‘simpática’), ya que en las dos el psiquismo humano primitivo (que aún persiste en el Homo sapiens de las sociedades más avanzadas) supone que las cosas interactúan a distancia mediante una relación secreta, una mutua simpatía.” Observo que la aclaración de la wiki “… que aun persiste en el Homo sapiens de las sociedades más avanzadas” no la puse yo.

    Para más detalle, transcribo: “así, la magia, podrá ser empática si trata de que «lo semejante produzca lo semejante» (luego en términos estructuralistas: metafóricos); o contaminante (o de contagio), si sigue el principio de que las cosas que alguna vez estuvieron juntas (en términos estructuralistas: metonímicas), al separarse, tienen tal relación mágica que lo que se le haga a una lo sufrirá la otra.” Con el gato de Schrodinger estamos, pues, ante un caso claro de influencia empática: el estado de superposicióan cuántica sí/no es causalmente transferido al gato que comienza a existir vivo/muerto. Por otra parte, el caso del enmarañamiento constituye, como se describe perfectamente, un caso de influencia mágica contaminante. Y este experimento en particular, que combina ambos efectos, quizá cabría denominarse “experimento canónico simpatético”.

    Así que sería mucho mejor decir que la MC es contraria a la intuición que adquirimos en… la Facultad de física. Saludos.

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