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Tema 2. Curso de Física Cuántica | La superposición cuántica

Descubridores de la física cuántica

Tema 2. Curso de Física Cuántica | La superposición cuántica

La física cuántica nos tenía reservadas unas cuántas sorpresas difícilmente explicables para el razonamiento humano. Pasamos de una física cuánto menos lógica, a una física «quanto» menos ilógica, fue como un tortazo de los que hacen daño al ego y a la comprensión del ser humano para demostrarle que si quiere comprender el universo va a tener que esforzarse bastante más y ser un poco más humilde en sus conclusiones.

Y una de las sorpresas que nos tenía deparada la física cuántica era la superposición cuántica, por la cual, un objeto puede estar en dos sitios a la vez.

Entramos en materia. Cuando emitimos una ráfaga de partículas elementales, como pueden ser electrones, contra una pantalla por dos caminos distintos, la mitad de las partículas por un camino y la otra mitad por el otro, se produce un efecto de interferencia entre partículas como si se pudiesen anular y sumar entre ellas cuando llegan a la pantalla.

El resultado es una gráfica con máximos y mínimos similar al patrón de interferencias que podemos conseguir si hacemos pasar una onda entre dos rendijas. Cada rendija creará una onda nueva y los máximos y mínimos de las dos ondas se suman o restan entre ellas para dar lugar un patrón de interferencias con máximos y mínimos.

Experimento de las dos rendijas - Patrón de interferencias con máximos y mínimos

Esto no sería extraño si no fuera porque en nuestro caso estamos enviando un electrón detrás de otro y no una onda. ¿Por qué existe entonces este comportamiento en la física cuántica? ¿Por qué estas partículas elementales e independientes unas de otras se comportan como si formaran parte de una onda? Esto se conoce como la dualidad onda-partícula.

¿Qué hicieron los científicos para estudiar este comportamiento? Se les ocurrió enviar un electrón, esperar a que éste llegue a la pantalla y enviar el siguiente. De esta forma evitamos que un electrón pueda interactuar con otro durante el trayecto o al llegar a la pantalla. El resultado siguió siendo el mismo, un patrón de interferencias con máximos y mínimos y esto terminó dejando sin argumentos lógicos a los científicos.

Lo siguiente que pensaron fue que las partículas elementales, por ejemplo un electrón, podía desdoblarse en dos y esas dos partes al final interactuaban entre ellas. De esa forma demostraban que daba igual enviar un solo electrón contra la pantalla pues el propio electrón al desdoblarse podía producir un solapamiento por sí mismo.

Para poder comprobar si los electrones se desdoblaban pusieron unos medidores en la trayectoria del electrón.  Repitieron el experimento y el resultado final ya no era el mismo, y por lo tanto, al no poder replicar el resultado, el estudio ya no tenía sentido.

No sabían por qué, pero en la física cuántica, el observador del sistema, como puede ser un detector o un medidor, hace que su comportamiento deje de ser cuántico y pase a comportarse con un sistema clásico. Es como si el propio sistema cuántico colapsase al poner un observador.

Se hicieron más experimentos, uno de ellos consistía en poner el medidor en el último instante de la trayectoria del electrón, cuando éste ya estaba a punto de chocar con la pantalla, además la decisión de poner o no el medidor se tomada de forma totalmente aleatoria e independientemente de la decisión de un ser humano. El resultado seguía siendo el mismo.

La única opción que quedaba para explicar este comportamiento, es que las partículas elementales fuesen capaces de ver o predecir el futuro y gracias a eso modifican su comportamiento. Es decir, ya sabían de antemano que les íbamos a poner un medidor en su trayectoria y por lo tanto cambiaban su comportamiento.

Al final, y descartando la anterior reflexión, llegaron a la siguiente conclusión ¿Y si la partícula podía estar en dos estados/sitios a la vez? Es decir, en un estado de superposición que se corresponde a dos trayectorias diferentes.

Y así se logró demostrar en un experimento en el año 2010. Misterio resuelto.

En el año 2010, dos físicos de California pudieron observar un verdadero comportamiento cuántico en un objeto macroscópico lo suficientemente grande como para ser visto a simple vista. Esa fue la primera vez que se consiguió medir un comportamiento cuántico y se pudo arrojar luz sobre los misteriosos límites entre el mundo clásico y mundo cuántico.

Los científicos siempre han querido demostrar la superposición en objetos más grandes, pero era un desafío muy grande eliminar todas las vibraciones térmicas en el objeto que enmascaran o destruyen los efectos cuánticos. Para lograrlo, tuvieron que enfriar el objeto a su estado fundamental cuántico, momento en el que la amplitud de las vibraciones se reduce casi a cero.

Esto fue lo que consiguieron Andrew Cleland y sus colegas de la Universidad de California, Santa Bárbara, con un objeto tan grande que casi se podía ver la superposición cuántica a simple vista. El objeto es un resonador mecánico hecho de aluminio y nitruro de aluminio, que medía alrededor de 40 µm de longitud y estaba formado por alrededor de un billón de átomos. Era un disco tan delgado que era capaz de resonar a unos seis mil millones de vibraciones por segundo.

Micrograph of the resonator. (Courtesy: Aaron O'Connell and Andrew Cleland)

De esta manera los investigadores crearon un estado de superposición en el resonador donde tenían, simultáneamente, una excitación en el resonador y ninguna excitación en el resonador a la vez, de tal forma que cuando lo midieron, el resonador tuvo que “elegir” en qué estado se encontraba. La analogía es similar al gato de Schrödinger que podía estar vivo y muerto a la vez.

“A diferencia de otros instrumentos de medición, [el qubit] nos permitió medir el resonador mecánico conservando todos los efectos cuánticos”, dijo Cleland a physicsworld.com . «La mayoría de los instrumentos de medición perturban el objeto mecánico al calentarlo, y así se destruyen los efectos cuánticos que se buscan».

Ahora ya sabemos que, para observar y trabajar con el mundo cuántico, tenemos que enfriar el sistema a una temperatura lo suficientemente baja para que el efecto del observador no incida en su comportamiento.

Fuentes:

  • https://www.youtube.com/watch?v=N-w1tkvdsQI
  • https://physicsworld.com/a/quantum-effect-spotted-in-a-visible-object/



Marcos Alonso

Founder & IT specialist
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