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100 años de Física Cuántica: de las teorías de 1920 a las computadoras

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En la década de 1920, la mecánica cuántica, la teoría subyacente a todo. Desde el comportamiento de los átomos hasta el funcionamiento de las computadoras cuánticas, estaba en camino de ganar una amplia aceptación. Pero quedaba un misterio: a veces los objetos cuánticos, como electrones, átomos y moléculas se comportan como partículas pero otras veces también se pueden comportar como ondas. Y a veces incluso se comportan como partículas y ondas al mismo tiempo. Por lo tanto, al estudiar estos objetos cuánticos, nunca ha estado claro qué enfoque deberían utilizar los científicos en sus cálculos.

100 años de física cuántica: de las teorías de 1920 a las computadoras

A veces, los científicos tienen que asumir que los objetos cuánticos son ondas para obtener un resultado correcto. En otros casos, tuvieron que asumir que los objetos eran efectivamente partículas. Y otras veces cualquier enfoque funcionaba. Pero en otros casos, solo un enfoque condujo al resultado correcto y el otro a un resultado ficticio. La historia de este problema se remonta hace mucho tiempo atrás, pero experimentos recientes han arrojado nueva luz sobre esta vieja pregunta.

Historia Cuántica

En el experimento de doble rendija del mismo nombre, realizado por primera vez por Thomas Young en 1801, la luz se comportó como ondas. En este experimento, un rayo láser se dirige hacia una doble rendija y luego observan el patrón resultante. Si la luz consistiera en partículas, cabría esperar dos bloques de luz en forma de rendijas. Como resultado, se obtienen muchos pequeños bloques de luz, dispuestos en un orden característico. Colocar una doble rendija en el chorro de agua daría lugar al mismo patrón. Como resultado, este experimento llevó a la conclusión de que la luz es una onda.

Luego, en 1881, Heinrich Hertz hizo un descubrimiento divertido. Cuando tomó dos electrodos y aplicó un voltaje suficientemente alto entre ellos, aparecieron chispas. Es normal. Pero cuando Hertz brilló en estos electrodos, el voltaje de la chispa cambió. Esto se explica por el hecho de que la luz eliminó electrones del material del electrodo. Pero, curiosamente, la velocidad máxima de los electrones eliminados no cambiaba si cambiaba la intensidad de la luz, sino que cambiaba de acuerdo con la frecuencia de la luz. Este resultado sería imposible si la teoría ondulatoria fuera correcta. En 1905, Albert Einstein tuvo una solución diferente: la luz era en realidad una partícula. Todo esto fue insatisfactorio. Los científicos prefieren una teoría que siempre es verdadera a dos teorías que a veces son verdaderas. Y si la teoría es verdadera solo algunas veces, entonces nos gustaría al menos poder decir bajo qué condiciones una es verdadera.

Microscopio Cuántico
Microscopio Cuántico

Pero ese era exactamente el problema del descubrimiento. Los físicos no sabían cuándo considerar a la luz o a cualquier otro objeto como una onda o como una partícula. Sabían que algunas cosas provocan un comportamiento ondulante, como los bordes de las grietas. Pero no tenían una explicación clara de por qué era así, o cuándo  se podía aplicar una teoría.

Este misterio, llamado dualidad onda-partícula, persiste hasta el día de hoy. Pero un nuevo estudio puede aclarar un poco la situación. Los científicos del Instituto Coreano de Ciencias Fundamentales han demostrado cuanto puede ser afectado las propiedades de una fuente de luz en el caso de ser considerada como una partícula y en el caso de una onda. Gracias a un nuevo enfoque para estudiar este problema, han allanado el camino que incluso puede conducir a mejoras en la computación cuántica. Al menos esa es la idea inicial.

¿Cómo crear partículas y ondas?

En este experimento, los científicos utilizaron un espejo semirreflectante para dividir el rayo láser en dos partes. Cada uno de estos rayos golpea el cristal, que a su vez produce dos fotones. En total se obtienen cuatro fotones, dos de cada cristal.

Los científicos enviaron un fotón de cada cristal al interferómetro. El dispositivo combina dos fuentes de luz y crea un patrón de interferencia. Este patrón fue descubierto por primera vez por Thomas Young en su experimento de doble rendija antes mencionado. Esto es también lo que ves cuando arrojas dos piedras a un estanque: ondas de agua en forma de pequeñas olas que divergen en círculos, algunas de las cuales se refuerzan entre sí, mientras que otras se neutralizan. En otras palabras, el interferómetro detecta la naturaleza ondulatoria de la luz.

Cuántica

Las trayectorias de los otros dos fotones se utilizaron para determinar sus características corpusculares. Aunque los autores del artículo no especifican cómo lo hicieron, generalmente se hace pasando un fotón a través del material que muestra a dónde fue el fotón. Por ejemplo, puede disparar un fotón a través de un gas, que luego se encenderá donde pasó el fotón. Al centrarse en la trayectoria en lugar del destino, un fotón puede ser una onda. Esto se debe a que si mides la ubicación exacta de un fotón en cada momento, entonces no puede golpearse a sí mismo.

Este es uno de los muchos ejemplos en la física cuántica cuando una medida influye activamente en el resultado de la propia medida. En consecuencia, no hubo patrón de interferencia al final de la trayectoria del fotón en esta parte del experimento. Así, los investigadores descubrieron cómo un fotón puede ser una partícula. Ahora la tarea era cuantificar cuánto de una partícula era y cuánto quedaba del carácter de onda.

Dado que ambos fotones del mismo cristal se forman juntos, forman un estado cuántico. Esto significa que es posible encontrar una fórmula matemática que describa ambos fotones simultáneamente. Como resultado, si los investigadores pueden cuantificar cuándo estos dos fotones son una partícula y cuándo es una onda, esta relación cuantitativa se puede aplicar a todo el haz que llega al cristal.

De hecho, los investigadores tuvieron éxito. Midieron cuán «ondulatorio» era el fotón comprobando la visibilidad del patrón de interferencia. Cuando la visibilidad era alta, el fotón era muy parecido a una onda. Cuando el patrón era apenas visible, llegaron a la conclusión de que el fotón debe ser muy similar a una partícula.

100 años de física cuántica: de las teorías de 1920 a las computadoras

Y esta aparición fue accidental. Fue el más alto cuando ambos cristales recibieron la misma intensidad del rayo láser. Sin embargo, si el haz de un cristal era mucho más intenso que el otro, la visibilidad del patrón se hacía muy débil y lo más probable es que los fotones parecieran partículas.

Este resultado es sorprendente porque en la mayoría de los experimentos la luz se mide solo en forma de ondas o partículas. Hasta la fecha, ambos parámetros se han medido simultáneamente en varios experimentos. Esto significa que es fácil determinar qué cantidad de cada propiedad tiene una fuente de luz. Si de una partícula o de una onda .

Teoría Física de la Estática

Este resultado corresponde a la predicción hecha anteriormente por los teóricos. De acuerdo con esta teoría, cuán más ondulatorio y corpuscular es un objeto cuántico más será la pureza de la fuente. La pureza en este contexto es solo una forma elegante de expresar la probabilidad de que una fuente de cristal en particular emita luz. La fórmula se ve así: V2 + P2 = µ2, donde V es la visibilidad del patrón de radiación, P es la visibilidad del camino y µ es la pureza de la fuente.
100 años de física cuántica: de las teorías de 1920 a las computadoras

Esto significa que un objeto cuántico, como la luz, puede ser hasta cierto punto ondulatorio o similar a una partícula, pero esto está determinado por la pureza de la fuente. Un objeto cuántico es como una onda si un patrón de interferencia es visible o si la magnitud de V no es cero. Además, es como una partícula si el camino es perceptible o si P no es cero.

Otra consecuencia de esta suposición es que la pureza consiste en que si el entrelazamiento del camino cuántico es alto, la pureza es baja y viceversa. Los científicos que realizaron el experimento demostraron esto matemáticamente en su trabajo. Al ajustar la pureza de los cristales y medir los resultados, pudieron demostrar que estas suposiciones teóricas son correctas.

¿Los Ordenadores cuánticos son más Rápidos?

La conexión entre el entrelazamiento de un objeto cuántico, su corpuscularidad y ondulación es particularmente interesante. Los dispositivos cuánticos que pueden alimentar a la Internet cuántica se basan en el entrelazamiento. La Internet cuántica es una analogía cuántica de lo que es Internet para las computadoras clásicas. Al combinar varias computadoras cuánticas y permitirles intercambiar datos, los científicos esperan obtener más potencia de la que se podría lograr con una sola computadora cuántica.

Pero en lugar de enviar bits por fibra óptica, lo que hacemos en el caso de la Internet clásica, necesitamos entrelazar Q-bits para formar una Internet cuántica. La capacidad de medir el entrelazamiento de una partícula y una onda de fotones significa que podemos encontrar formas más sencillas de controlar la calidad de la Internet cuántica.

Refrigerador de dilución para enfriar una computadora cuántica
Refrigerador de dilución para enfriar una computadora cuántica en Japón.

Además, las propias computadoras cuánticas pueden mejorar mediante el uso de la dualidad onda-partícula. Según la propuesta de investigadores de la Universidad Tsinghua de China, es posible hacer funcionar una pequeña computadora cuántica a través de una red de múltiples ranuras para aumentar su potencia. Una pequeña computadora cuántica constará de varios átomos que a su vez se utilizan como Q-bits, y tales dispositivos ya existen.

Pasar estos átomos a través de una red de múltiples rendijas es muy similar a pasar la luz a través de una doble rendija, aunque, por supuesto, un poco más complicado. Esto creará más estados cuánticos posibles, lo que a su vez aumentará la potencia de la computadora. Las matemáticas que siguen son muy difíciles de explicar en este artículo, pero un resultado importante es que tal computadora de dos cuánticos puede ser mejor en computación paralela que las computadoras cuánticas convencionales. La computación paralela también es común en la computación clásica y se refiere principalmente a la capacidad de una computadora para realizar múltiples cálculos simultáneamente, lo que generalmente la hace más rápida.

Entonces, aunque este es un estudio muy fundamental, los posibles programas ya están en el horizonte. Es imposible probarlo ahora, pero estos descubrimientos podrían acelerar las computadoras cuánticas y acelerar un poco el surgimiento de la Internet cuántica.

Demasiado Fundamental e Interesante

Todo esto debe tomarse con un alto grado de escepticismo. La investigación es sólida, pero también es muy fundamental. Como suele ser el caso en la ciencia y la tecnología, lleva mucho tiempo pasar de la investigación fundamental a las aplicaciones reales.

Sistema Cuántico IBM
Sistema Cuántico IBM Uno

Pero investigadores de Corea han descubierto algo muy interesante: el misterio de la dualidad onda-partícula no desaparecerá en un futuro próximo. Al contrario, parece que está tan arraigado con todos los objetos cuánticos que es mejor utilizarlo. Con una nueva base cuantitativa relacionada con la pureza de la fuente, esto será más fácil de hacer.

Uno de los primeros casos de uso puede ocurrir en la computación cuántica. Como han demostrado los científicos, el entrelazamiento cuántico y la dualidad onda-partícula están conectados. Por lo tanto, en lugar de entrelazamiento, se puede medir la cantidad de ondulación y corpuscularidad. Esto puede ayudar a los científicos que trabajan en la creación de una Internet cuántica. O puede usar la dualidad para mejorar las computadoras cuánticas y hacerlas más rápidas. En cualquier caso, parece que estamos entrando en la era cuántica.

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