martes, 31 de mayo de 2016

El gato de Schrödinger vive y muere en dos cajas a la vez #Ciencia Kanija 2.0 #noticias


Artículo publicado por Tushna Commissariat el 27 de mayo de 2016 en physicsworld.com

El gato de Schrödinger tiene ahora un segunda caja en la que jugar, gracias a un equipo internacional de físicos que ha creado un "estado de gato de Schrödinger" de dos modos, por primera vez. El experimento une dos propiedades puramente cuánticas, el "gato" (es decir, los fotones) está simultáneamente "vivo y muerto (en una superposición de estados) mientras que también se encuentra en dos posiciones a la vez (las dos cajas están entrelazadas entre sí).

El experimento es un avance hacia la creación de estados cuánticos mayores y más complejos que son necesarios para hacer que el computador cuántico sea una realidad. El equipo dice que el trabajo también demuestra un sistema lógico de dos qubits con un sistema integral de corrección de errores, lo que hace que sea un gran recurso para la metrología cuántica y las redes de comunicaciones cuánticas.

El gato de Schrödinger

El gato de Schrödinger

Gatos cuánticos

La famosa paradoja del gato de Schrödinger, propuesta por primera vez en 1935, se basa en uno de los principios básicos de la mecánica cuántica – la superposición. Ésta surge debido a que una partícula microscópica, como un fotón, puede considerarse que está simultáneamente en todos los "estados" posibles (o posiciones espaciales en el experimento) hasta que se haga una medida y su función de onda colapse. En el mundo clásico "real", sin embargo, los objetos macroscópicos tales como los gatos no viven en superposición de estados. Esto normalmente se explica en términos de "decoherencia", por el cual un estado pierde su naturaleza cuántica coherente gracias a la interacción con el entorno. Sin embargo, justo en la frontera entre los mundos clásico y cuántico es donde hay algo de misterio.

Actualmente, los físicos pueden crear sistemas de múltiples partículas compuestos de muchos fotones que están colectivamente en un estado de superposición de dos estados extremos, o muy distintos. Estos son los que se conocen como "estados del gato de Schrödinger" y son fácilmente distinguibles entre sí. Estos sistemas pueden lograrse en el laboratorio usando osciladores armónicos. La oscilación de un campo de microondas, por ejemplo, puede verse como un péndulo oscilante y los dos estados distintos son equivalentes al péndulo en el extremo izquierdo o el derecho de la oscilación. En un estado del gato, el péndulo está en ambas posiciones a la vez. Es preferible que tales osciladores armónicos usen átomos para crear los dos estados extremos, dado que las dos posiciones de oscilación están mucho más diferenciadas y están separadas por una distancia que pueden incluir un gran número de estados intermedios.

Dos se hacen uno

Para crear un estado del gato de dos modos, Chen Wang y sus colegas de la Universidad de Yale, en los Estados Unidos, junto a sus colegas en Francia, usaron no uno, sino dos osciladores armónicos basados en cavidades de microondas. Aquí, el gato vivo se corresponde con el campo de microondas en ambas cavidades oscilando en la dirección positiva, mientras que el gato muerto se corresponde con una oscilación en la negativa. Esta combinación cuántica de superposición de estados de múltiples partículas macroscópicas y entrelazamiento, se propuso por primera vez en 1993, pero es la primera vez que se logra de forma experimental.

El dispositivo del equipo está compuesto por dos cavidades tridimensionales de microondas y un puerto para monitorización – todos conectados mediante un átomo artificial superconductor. El propio "gato" está hecho de microondas de luz confinadas en ambas cavidades. Las cavidades se fabricaron a partir de aluminio de gran pureza y un chip de zafiro, y se insertó un circuito eléctrico microfabricado al aluminio, el cual se conectó usando cables de microondas convencionales.

Una medida se realiza transmitiendo señales de microondas desde electrónica a temperatura ambiente a través del dispositivo – esta señal informa indirectamente del estado cuántico de las cavidades. Hay unas decenas de fotones en cada una.

Wang dice a physicsworld.com que el método de su equipo "difiere de previos experimentos de estado del gato en que las dos cavidades portan el estado y, por tanto, requieren medidas que pueden estudiar conjuntamente el estado de las dos cavidades, lo cual es un nuevo desarrollo". Añade que el método del equipo también varía "de otros muchos experimentos que tratan con estados cuánticos de microondas o fotones ópticos, en que funcionamos en un estado cuasi-clásico de fotones de microondas (estado coherente) en lugar de fotones aislados, lo que nos permite acceder con facilidad a un gran número de fotones".

La capacidad de distinguir entre los dos estados – que es un factor crucial – está determinado por la cartografía de los estados en un mapa de "espacio de fases", y la medida de su distancia en términos de cuántos posibles estados hay entre ellos. Lo grande que debe ser esta distancia antes de que el estado pueda clasificarse como "macroscópico" es algo aún subjetivo. En el experimento actual, esta distancia es normalmente de 30 fotones, extendiéndose hasta un máximo de 80 – Wang describe esto como "más macroscópico que los pocos fotones con los que normalmente tratamos en nuestro campo pero, ciertamente, menos que un gato real".

Distintas visiones

Los resultados del experimento pueden interpretarse de dos formas distintas, de acuerdo con los investigadores. Describen al gato como "viviendo en dos cajas", definiendo el estado conjunto de las dos cavidades como el estado del gato (+ + es vivo, – – es muerto). En este caso, por definición, el gato está en ambas cajas a la vez. "Este gato es grande y listo. No está en una caja debido a que el estado cuántico se comparte entre las dos cavidades, y no puede describirse de forma separada", comenta Wang. Una visión alternativa surge si consideras el estado de cada cavidad de forma individual, realizando medidas en una única caja. En este caso, el equipo tiene dos pequeños y simples gatos de Schrödinger – uno en cada caja – que están entrelazados.

El equipo de Wang dice que el experimento tiene potenciales aplicaciones en la computación cuántica – especialmente cuando los estados de gato funcionan como qubits tolerantes a fallos. Esto se debe a que la información está codificada de forma redundante en los estados usando muchos grados de libertad. "Resulta que los estados del gato son un enfoque muy efectivo para almacenar información cuántica de forma redundante, para la implementación de un sistema cuántico de corrección de errores", dice el miembro del equipo Robert Schoelkopf, director del Instituto Cuántico de Yale. "Generar un gato en dos cajas es el primer paso hacia las operaciones lógicas entre dos bits cuánticos bajo un sistema de corrección de errores".

La investigación se publica en la revista Science.