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Es la pregunta central en la mecánica cuántica, y nadie sabe la respuesta: ¿qué sucede realmente en una superposición, la circunstancia peculiar en la que las partículas parecen estar en dos o más lugares o estados a la vez? Ahora, en un documento de próxima publicación, un equipo de investigadores en Israel y Japón ha propuesto un experimento que finalmente podría permitirnos decir algo con seguridad sobre la naturaleza de este desconcertante fenómeno.

Su experimento, que según los investigadores podría realizarse en unos pocos meses, debería permitir a los científicos echar un vistazo a dónde reside un objeto, en este caso una partícula de luz, llamada fotón, cuando se coloca en una superposición. Y los investigadores predicen que la respuesta será aún más extraña y más impactante que "dos lugares a la vez".

El ejemplo clásico de superposición consiste en disparar fotones en dos ranuras paralelas en una barrera. Un aspecto fundamental de la mecánica cuántica es que las partículas diminutas pueden comportarse como ondas, de modo que las que pasan por una ranura "interfieren" con las que pasan por la otra, sus ondulaciones onduladas se refuerzan o cancelan entre sí para crear un patrón característico en la pantalla del detector . Lo extraño, sin embargo, es que esta interferencia ocurre incluso si solo se dispara una partícula a la vez. La partícula parece pasar de alguna manera a través de ambas ranuras a la vez, interfiriendo consigo misma. Esa es una superposición.

Y se vuelve más extraño: Medir qué hendidura atraviesa una partícula invariablemente indicará que solo pasa por uno, pero luego la interferencia ondulatoria (la "quantumness", si se quiere) se desvanece. El mismo acto de medición parece "colapsar" la superposición. "Sabemos que algo sospechoso está sucediendo en una superposición", dice el físico Avshalom Elitzur del Instituto Israelí de Investigación Avanzada. "Pero no tienes permitido medirlo". Esto es lo que hace que la mecánica cuántica sea tan diabólica ".

Durante décadas, los investigadores se han estancado en este aparente punto muerto. No pueden decir exactamente qué es una superposición sin mirarla; pero si intentan mirarlo, desaparece. Una posible solución, desarrollada por el antiguo mentor de Elitzur, el físico israelí Yakir Aharonov, ahora en la Universidad Chapman, y sus colaboradores, sugiere una forma de deducir algo sobre las partículas cuánticas antes demedirlas. El enfoque de Aharonov se llama formalismo de dos estados-vector (TSVF) de la mecánica cuántica, y postula que los eventos cuánticos están determinados en cierto sentido por los estados cuánticos no solo en el pasado sino también en el futuro. Es decir, el TSVF supone que la mecánica cuántica funciona de la misma manera tanto hacia adelante como hacia atrás en el tiempo. Desde esta perspectiva, las causas pueden parecer propagarse hacia atrás en el tiempo, ocurriendo después sus efectos

Pero uno no necesita tomar esta extraña noción literalmente. Más bien, en el TSVF uno puede obtener conocimiento retrospectivo de lo que sucedió en un sistema cuántico seleccionando el resultado: en lugar de simplemente medir dónde termina una partícula, un investigador elige una ubicación particular en la que buscarla. Esto se llama post-selección, y proporciona más información que cualquier vistazo incondicional jamás podría tener. Esto se debe a que el estado de la partícula en cualquier momento se evalúa retrospectivamente a la luz de todo su historial, incluida la medición. La rareza viene porque se vecomo si el investigador, simplemente eligiendo buscar un resultado en particular, hiciera que ese resultado sucediera. Pero esto es un poco como llegar a la conclusión de que si enciende su televisor cuando está programado su programa favorito, su acción hace que ese programa se transmita en ese mismo momento. "En general se acepta que el TSVF es matemáticamente equivalente a la mecánica cuántica estándar", dice David Wallace, un filósofo de la ciencia de la Universidad del Sur de California que se especializa en interpretaciones de la mecánica cuántica. "Pero lleva a ver ciertas cosas que de otra forma no hubiéramos visto".

Tomemos, por ejemplo, una versión del experimento de doble rendija ideado por Aharonov y su compañero de trabajo Lev Vaidman en 2003, que interpretaron con el TSVF. El par describió (pero no construyó) un sistema óptico en el cual un solo fotón actúa como un "obturador" que cierra una rendija haciendo que otro fotón "sonda" que se acerca a la rendija se refleje de la manera en que vino. Al aplicar la post-selección a las mediciones del fotón de la sonda, demostraron Aharonov y Vaidman que se podía distinguir un fotón obturador en una superposición que cerraba ambas (o incluso arbitrariamente muchas) rendijas simultáneamente. En otras palabras, este experimento mentalEn teoría, nos permitiría decir con confianza que el fotón del obturador está "aquí" y "allá" a la vez. Aunque esta situación parece paradójica desde nuestra experiencia cotidiana, es un aspecto bien estudiado de las propiedades denominadas "no locales" de partículas cuánticas, donde la noción completa de una ubicación bien definida en el espacio se disuelve.

En 2016, los físicos Ryo Okamoto y Shigeki Takeuchi de la Universidad de Kyoto verificaron experimentalmente las predicciones de Aharonov y Vaidman utilizando un circuito portador de luz en el que el fotón del obturador se crea usando un enrutador cuántico, un dispositivo que permite que un fotón controle la ruta tomada por otro. "Este fue un experimento pionero que permitió inferir la posición simultánea de una partícula en dos lugares", dice el colega de Elitzur Eliahu Cohen de la Universidad de Ottawa en Ontario.

Ahora Elitzur y Cohen se han asociado con Okamoto y Takeuchi para inventar un experimento aún más alucinante. Creen que permitirá a los investigadores decir con certeza algo sobre la ubicación de una partícula en una superposición en una serie de diferentes puntos en el tiempo, antes de que se haya realizado una medición real.

Esta vez, la ruta del fotón sonda se dividiría en tres por espejos parciales. A lo largo de cada uno de esos caminos, puede interactuar con un fotón de obturador en una superposición. Se puede considerar que estas interacciones tienen lugar dentro de recuadros etiquetados como A, B y C, uno de los cuales se encuentra a lo largo de cada una de las tres rutas posibles del fotón. Al observar la autointerferencia del fotón de la sonda, se puede concluir retrospectivamente con certeza que la partícula del obturador estaba en una caja dada en un momento específico.

Crédito : Amanda Montañez

El experimento está diseñado para que el fotón de la sonda solo muestre interferencia si interactúa con el fotón del obturador en una secuencia particular de lugares y horas: a saber, si el fotón del obturador estaba en ambos cuadros A y C en algún momento ( t 1), en un momento posterior ( t 2) solo en C, y en un tiempo aún más tardío ( t 3) en B y C. Entonces, la interferencia en el fotón de la sonda sería un signo definitivo de que el fotón del obturador hizo esta extraña secuencia que desafía la lógica de apariencias inconexas entre las cajas en diferentes momentos, una idea que Elitzur, Cohen y Aharonov propusieron como una posibilidadel año pasado para una sola partícula distribuida en tres cajas. "Me gusta la forma en que este documento formula preguntas sobre lo que está sucediendo en términos de historias completas en lugar de estados instantáneos", dice el físico Ken Wharton de la Universidad Estatal de San José, que no está involucrado en el nuevo proyecto. "Hablar de 'estados' es un viejo prejuicio generalizado, mientras que las historias completas son en general mucho más ricas e interesantes".

Esa riqueza, argumentan Elitzur y sus colegas, es a lo que la TSVF da acceso. La aparente desaparición de partículas en un lugar a la vez -y su reaparición en otros tiempos y lugares- sugiere una visión nueva y extraordinaria de los procesos subyacentes implicados en la existencia no local de partículas cuánticas. A través de la lente del TSVF, dice Elitzur, esta existencia parpadeante y cambiante puede entenderse como una serie de eventos en los que la presencia de una partícula en un lugar se "cancela" de algún modo por su propia "contrapartícula" en el mismo lugar. Compara esto con la noción introducida por el físico británico Paul Dirac en la década de 1920 que sostenía que las partículas poseen antipartículas, y si se unen, una partícula y una antipartícula pueden aniquilarse mutuamente. Esta imagen al principio parecía solo una manera de hablar, pero pronto condujo al descubrimiento de la antimateria. La desaparición de partículas cuánticas no es "aniquilación" en este mismo sentido, pero es algo análogo: estas contrapartículas putativas, postula Elitzur, deberían poseer energía negativa y masa negativa, lo que les permite cancelar sus contrapartidas.

Entonces, aunque la visión tradicional de "dos lugares a la vez" de la superposición puede parecer bastante extraña, "es posible que una superposición sea una colección de estados que están aún más locos", dice Elitzur. "La mecánica cuántica simplemente te dice acerca de su promedio". La post-selección permite aislar e inspeccionar solo algunos de esos estados a mayor resolución, sugiere. Tal interpretación del comportamiento cuántico sería, dice, "revolucionaria", porque implicaría una colección de hasta ahora desconocida de estados reales (pero muy extraños) que subyacen a los fenómenos cuánticos contraintuitivos.

Los investigadores dicen que conducir el experimento real requerirá un ajuste fino del rendimiento de sus enrutadores cuánticos, pero esperan tener su sistema listo para rodar en tres o cinco meses. Por ahora, algunos observadores externos no están esperando exactamente con la respiración contenida. "El experimento debe funcionar", dice Wharton, pero agrega que "no convencerá a nadie de nada, ya que los resultados son pronosticados por la mecánica cuántica estándar". En otras palabras, no habría una razón convincente para interpretar el resultado. en términos del TSVF en lugar de una de las muchas otras formas en que los investigadores interpretan el comportamiento cuántico.

Elitzur está de acuerdo en que su experimento podría haber sido concebido utilizando la visión convencional de la mecánica cuántica que prevaleció hace décadas, pero nunca lo fue. "¿No es una buena indicación de la solidez del TSVF?", Pregunta. Y si alguien piensa que puede formular una imagen diferente de "lo que realmente está sucediendo" en este experimento utilizando la mecánica cuántica estándar, agrega, "bueno, ¡déjalos seguir adelante!"

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Comentarios

  • Hola. Es muy interesante el artículo. El enfoque que éstos investigadores le dan al fenómeno de la superposición desde luego es peculiar.

    El gran reto de mecánica cuática desde hace muchos años es "medir" una partícula para saber su posición y velocidad en un momento dado. El principio de indeterminación nos lo impide. Si intentamos medir un fotón por ejemplo deberíamos de utilizar un sitema que no altere la posición y velocidad del mismo y eso no lo podremos conseguir ni tan siquiera tilizando otro fotón. Si bién las matemáticas nos pueden decir, con muy alto grado de certeza, donde se puede encontrar.

    Yo he entendido que éstas investigacione va enfocada a predecir mas o menos donde pueden encontrarse la partícula antes de ser medida. Si es así ¿ se podría saber donde están las "dos" partículas a la vez?.

    Saludos.

Esta respuesta fué eliminada.

Mi mili, asi fue mi mili

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