El gato de Schrödinger (4°parte)
-El gato de Schrödinger continúa siendo protagonista.-
"La paradoja es únicamente un conflicto entre la realidad y el sentimiento de lo que la realidad debiera ser".
"La mecánica cuántica describe la naturaleza como algo absurdo al sentido común. Pero concuerda plenamente con las pruebas experimentales. Por lo tanto espero que ustedes puedan aceptar a la naturaleza tal como es: absurda".
Richard Feynman
En el año 2015, el experimento de Wheeler que se había desarrollado con muchas variaciones sobre fotones, se realiza con un átomo. Se trata de átomos de helio ultrafrío.
En una de las variaciones del experimento de elección retardada de Wheeler (ver diagrama al final de la segunda parte), el fotón es enviado a un interferómetro de Mach-Zehnder (el nombre Mach se refiere a Ludwig Mach, hijo de Ernest Mach, este último, famoso entre otras cosas por sus estudios de la física de fluidos a velocidades superiores a la del sonido y cuyas tesis desempeñaron un papel muy importante en la formulación de la teoría especial de la relatividad por Einstein), el fotón después de pasar por el divisor de haz puede tomar dos caminos de forma simultanea si se comporta como onda o de forma excluyente si se comporta como partícula. Los fotones por ambos caminos estarán entrelazados por polarización, cuando uno tenga polarización vertical, el otro la tendrá horizontal. Un generador de números aleatorios controla el segundo generador de haz que cierra el interferómetro. Si lo inserta o no lo hace, observaremos al fotón comportarse como onda o como partícula. La paradoja de la elección retardada es por como contamos las partículas, no se debe a una modificación a lo que les pasa a las mismas.
Las últimas variaciones respecto al experimento del gato de Schrödinger utilizan sistemas cuánticos con múltiples partículas. Utilizando fotones que pueden estar entrelazados en los que cada uno de ellos puede estar en dos estados. Es lo que se llama: estados NOON. Originalmente N00N, con ceros en lugar de "O"s. Fueron introducidos por Barry Sanders en relación con el estudio de la decoherencia cuántica de gato de Schrödinger. Los estados NOON fueron luego redescubiertos por Jonathan Dowland, quien los propuso como base de la litografía cuántica. La litografía cuántica, se refriere a las imágenes cuánticas. Este es un nuevo subcampo dentro de la óptica cuántica que explota las correlaciones cuánticas como el campo electromagnético para obtener imágenes de objetos u otros criterios de imagen que están más allá de lo que es posible en la óptica clásica. Se invento en el grupo de Dowland en el JPL. En ella se explota el estado NOON, que representa N partículas en el modo "a" con cero partícula en el modo "b" y viceversa, de ahí N00N. Por lo general las partículas son fotones, pero en principio se podría aplicar a cualquier campo bosónico, como el bosón de Higgs. Por su traducción del inglés, en español a los estados NOON, también se les llama estados del mediodía. La decoherencia a que nos referimos a poco de iniciado este párrafo se refiere a un fenómeno de la física cuántica que conduce a la supresión completa o incompleta de las propiedades de coherencia de los estados de la mecánica cuántica. El concepto fue introducido por el físico alemán Dieter Zeh por 1970 y es uno de los problemas principales a resolver para la construcción de computadoras cuánticas.
Sanders introdujo en 1989, como modelos ópticos de un gato de Schrödinger se podrían implementar utilizando un interferómetro de dos brazos, pudiendo el fotón entrar en uno o en otro brazo, cada cual representando uno de sus dos posibles estados cuánticos. En el año 2000 se lograron estados NOON con dos fotones y en 2008 con cuatro. En 2010, se consiguió hacerlo con cinco fotones. Como innovación han utilizado "squeesed" (fotones comprimidos) lo que permite mejorar los detectores de ondas gravitatorias como LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory). En la revista Science, se dice: "lograron un récord al hacer estados NOON en un interferómetro con cinco fotones entrelazados. Su enfoque puede tener implicaciones para otras aplicaciones de interferometría, como los detectores de ondas de gravedad" (publicado 14/05/2010, Vol.328, n°5980, págs. 385-386). En este artículo, Christoph Wildfeuer nos ilustra lo entrelazada que está la física cuántica con la física clásica, como los avances en física cuántica tienen implicaciones prácticas en física clásica. El experimento en mención se realizó por Itai Afek, Orón Ambar y Yaron Silberberg, siendo presentado en Science con el título de "High-NOON States by Mixing Quantum and Classical Light" ("Estados de alto mediodía mezclando luz cuántica y clásica") (págs. 878 y 879-iguales datos anteriores). En dicha presentación, recordando el gato de Schrödinger, que está vivo y muerto; habla de que el entralazamiento, donde un sistema puede estar en una superposición de varios estados distintos simultáneamente, es un principio de la mecánica cuántica. Diciendo que también se puede utilizar en múltiples aplicaciones (imágenes, comunicaciones, patrones y metrología) con el efecto de amplificarse al entrelazar sistemas más grandes. Sin embargo, (aclaran) la generación sistemática de sistemas entralazados "grandes" es un desafío. Afek et al. presentan una técnica para generar entrelazamientos de muchos fotones en los llamados estados NOON, (se habla de que existen cuatro formas de generarlos) donde hay dos caminos posibles, N fotones en un camino y 0 en el otro, siendo el sistema una superposición de estados "todo y nada". La mezcla de pares entrelazados con luz clásica en un divisor de haz formó hasta cinco estados entrelazados en fotones, continúan diciendo. La técnica debe ser generalmente aplicable para generar estados entrelazados de orden superior.
Science
Justo seis años después en mayo de 2016, se publicaron los resultados de un nuevo experimento.
Con su famosa imagen de un gato vivo y un gato muerto, Schrödinger quiso ilustrar las absurdas consecuencias que tendría una aplicación de la mecánica cuántica a objetos macroscópicos. No obstante, los experimentos con estados cuánticos similares a los el gato de Schrödinger son parte de la investigación física, con conexiones con la física clásica y el procesamiento de la información cuántica. Es más, como veremos en la 5° parte, las últimas experiencia han demostrado su validez en el mundo macroscópico.
Como adelanto:
Según se ha publicado en la revista Science, los investigadores dirigidos por Chen Wang y Robert Schoelkopf de la Universidad de Yale han manipulado microondas en dos resonadores de cavidad de tal forma que su estado común correspondía al de un gato de Schrödinger vivo-muerto que estaba en dos lugares al mismo tiempo. Esto también podría interpretarse como que dos gatos Schrödinger estaban "entrelazados" en dos cavidades diferentes. Se utilizó para este experimento un pequeñísimo bloque de aluminio con dos cavidades cilíndricas a las que se les asignó los nombres de Alice y Bob. El bloque se enfrió a 20 nanokelvin, convirtiendo el aluminio en superconductor y capacitando las cavidades para recibir microondas de cierta frecuencia de resonancia durante unos pocos milisegundos. Con pulsos de microondas sincronizados, que alimentaban los resonadores, se les podía alimentar con fotones de microondas. Un dispositivo semiconductor especial, un átomo artificial o transmon¹), acopló los dos resonadores entre sí e hizo posible consultar y determinar su estado cuántico. Al exponer también este transmon a pulsos de microondas, la fuerza de los acoplamientos podría cambiarse dependiendo del estado. Como resultado, los investigadores pudieron controlar exhaustivamente el estado cuántico de todo el sistema. Primero, llevaron los resonadores individualmente a traves de una secuencia adecuada de pulsos de microondas a un estado del gato de Schrödinger. Normalmente, el campo de microondas de un resonador excitado está en un estado clásico llamado coherente, con la fase de oscilación y el número de fotones del campo teniendo el menor desenfoque posible.
El estado del gato preparado, por otro lado, era una superposición mecánica cuántica de dos de esos estados clásicos del campo de microondas, cuyas fases diferían entre sí tanto como fueran posible, es decir por π. Estos dos estados de campo que oscilaban entre sí correspondían al gato de Schrödinger vivo y muerto respectivamente. Debido a la superposición de los dos estados, el campo en el resonador estaba "vivo" y "muerto" al mismo tiempo. Con otra secuencia coordinada de pulsos de microondas, los dos resonadores fueron acoplados por el Transmon, por lo que sus campos de microondas se entrelazaron mecánicamente cuánticamente. Ahora los campos no eran ya independientes entre sí, sino que ambos estaban "vivos" al mismo tiempo y ambos "muertos" al mismo tiempo. El equivalente de la imagen de Schrödinger sería un gato vivo-muerto que se extiende a través de ambos resonadores. Al crear un gato Schrödinger muerto-vivo que estaba en dos lugares al mismo tiempo, los investigadores han alcanzado un nuevo nivel en el contro de los estados cuánticos. Esto también abre nuevas posibilidades para el procesamiento de la información cuántica. Por tanto la información cuántica puede almacenarse redundantemente mediante superposición mecánica cuántica y entrelazamiento de estados coherentes, como se ha logrado con este experimento. Esto podría hacer posible una corrección eficiente de errores cuánticos.
¹)-Pienso podríamos rastrear el origen lejano del trasmon hasta el tubo de Josephson (por 1962), el cuál hasta donde entiendo fue una forma de instrumentar una de las dos corrientes con que se pretenden dominar el mundo cuántico. Una mediante las técnicas de manejo del universo micro y la otra llevando la realidad cuántica al universo macroscópico. Brian D. Josephson (premio Nobel de Física del año 1973) confirmó la descripción de la física cuántica de la materia como onda y partícula. Lo hizo a través del fenómeno de la tunelización, con el que demostró que las partículas pueden pasar a través de barreras que no deberían poder atravesar de acuerdo con la física clásica. En 1962, Joshepson predijo resultados inesperados con superconductores, material que a bajas temperaturas carece de resistencia eléctrica. Sin voltaje superpuesto, una corriente puede resultar entre dos superconductores que están separados por un aislante delgado (si se agrega un voltaje rectificado, puede resultar una corriente alterna). Originalmente el experimento se realizó con una sola partícula atravesando de un metal normal a un superconductor atravesando el aislante. Pero después se replicó con pares de Cooper. Aquí los científicos se mostraron renuentes a las predicciones de Josephson sobre los resultados. Recordemos que los electrones en principio pertenecen al campo de los fermiones, los que ya vimos que están excluidos del estado N00N. Este par de electrones cumple el principio de exclusión de Pauli, pero en el caso de los pares de Cooper (1956) tienen otra entidad, son bosones (partículas con spin entero). Las predicciones de Josephson fueron confirmadas, y lo mismo que había pasado con una sola partícula sucedió con los electrones. Josephson predijo que el tunelaje de este par podía ocurrir sin resistencia alguna produciendo una corriente directa cuando el voltaje en la unión es de cero y una corriente alterna cuando un voltaje de corriente directa es aplicado en la unión. El transmon (abreviación: de transmission line plasma oscillation qubit) fue creado en 2007 por el equipo de Rob Schoelkopf de la Universidad de Yale. Hay aquí un link del laboratorio de Schoelkopf donde pueden ampliar el tema y además estar al tanto de sus últimas investigaciones.
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