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Ion de estroncio atrapado en un campo eléctrico. La medición en el ion dura solo una millonésima de segundo… ¡y ha sido filmada! Crédito: F. Pokorny et al.
Un equipo de investigadores de Suecia, Alemania y España (Universidad de Sevilla) ha conseguido por primera vez filmar lo que pasa cuando un observador se asoma al mundo cuántico.
Es como decir, metafóricamente, que una cámara ha grabado el momento en el que Schrödinger destapa la caja y encuentra al gato vivo o muerto.
Según un ejemplo imaginado por el físico Erwin Schrödinger en 1935, si tenemos un gato dentro de una caja en la que hay alimento y veneno, el dueño del gato es el que decide su suerte al abrir la caja: estará vivo o muerto según lo que el observador quiera encontrarse.
Ondas y partículas a la vez
El ejemplo hace referencia a lo que pasa cuando pretendemos conocer cómo funciona el mundo cuántico.
La caja donde está el gato es el universo de las así llamadas partículas elementales de la materia, que navegan en una ambigüedad característica: son ondas y partículas a la vez.
El problema es que cuando pretendemos mirar ese submundo, no podemos conocerlo tal como es, ya que con solo mirarlo se altera y pierde su naturaleza original.
Un solo fotón de luz transfiere energía a la partícula y modifica su realidad : nunca llegamos a saber cómo era antes de encender la luz para mirarla.
Esta es una de las características extrañas del mundo cuántico: medir el estado de un sistema cuántico provoca su alteración.
Pero ese cambio, ¿ocurre de golpe o es progresivo? Y si es progresivo, ¿cómo es el estado cuántico intermedio entre el momento previo y posterior a la medición?
Un ion estratégico
Para averiguarlo, los científicos experimentaron con un solo átomo: un ion de estroncio atrapado en un campo eléctrico.
Un ion es una partícula cargada eléctricamente. El estroncio es un metal que se usa especialmente para fabricar relojes atómicos más modernos y precisos que los de cesio.
Para medir un ion basta una millonésima de segundo. Y esa fracción de tiempo es la que “filmaron” los investigadores.
Tomaron imágenes de los diferentes momentos de la medición y descubrieron que el cambio de estado ocurre gradualmente bajo la influencia de la medición.
En ese lapso de tiempo, algunas superposiciones se diluyen y otras se conservan: unas pierden intensidad hasta desaparecer, otras se imponen y determinan el resultado final.
Por primera vez observamos cómo se pierde la ambigüedad del mundo cuántico, cómo se "fabrica" la realidad cotidiana ante nuestros ojos.
Un proceso
Es decir, el gato de Schrödinger no vive o muere de golpe, sino que su suerte final es un proceso que dura al menos una millonésima de segundo.
La película de ese brevísimo momento muestra cómo durante la medición se pierde esa superposición de estados: el gato está vivo y muerto a la vez, pero una de las opciones colapsa.
Es decir, las dos probabilidades superpuestas "dudan" en el momento de elegir entre la vida y la muerte del gato, antes de que Schrödinger termine de abrir la caja.
Es como decir, metafóricamente, que una cámara ha grabado el momento en el que Schrödinger destapa la caja y encuentra al gato vivo o muerto.
Según un ejemplo imaginado por el físico Erwin Schrödinger en 1935, si tenemos un gato dentro de una caja en la que hay alimento y veneno, el dueño del gato es el que decide su suerte al abrir la caja: estará vivo o muerto según lo que el observador quiera encontrarse.
Ondas y partículas a la vez
El ejemplo hace referencia a lo que pasa cuando pretendemos conocer cómo funciona el mundo cuántico.
La caja donde está el gato es el universo de las así llamadas partículas elementales de la materia, que navegan en una ambigüedad característica: son ondas y partículas a la vez.
El problema es que cuando pretendemos mirar ese submundo, no podemos conocerlo tal como es, ya que con solo mirarlo se altera y pierde su naturaleza original.
Un solo fotón de luz transfiere energía a la partícula y modifica su realidad : nunca llegamos a saber cómo era antes de encender la luz para mirarla.
Esta es una de las características extrañas del mundo cuántico: medir el estado de un sistema cuántico provoca su alteración.
Pero ese cambio, ¿ocurre de golpe o es progresivo? Y si es progresivo, ¿cómo es el estado cuántico intermedio entre el momento previo y posterior a la medición?
Un ion estratégico
Para averiguarlo, los científicos experimentaron con un solo átomo: un ion de estroncio atrapado en un campo eléctrico.
Un ion es una partícula cargada eléctricamente. El estroncio es un metal que se usa especialmente para fabricar relojes atómicos más modernos y precisos que los de cesio.
Para medir un ion basta una millonésima de segundo. Y esa fracción de tiempo es la que “filmaron” los investigadores.
Tomaron imágenes de los diferentes momentos de la medición y descubrieron que el cambio de estado ocurre gradualmente bajo la influencia de la medición.
En ese lapso de tiempo, algunas superposiciones se diluyen y otras se conservan: unas pierden intensidad hasta desaparecer, otras se imponen y determinan el resultado final.
Por primera vez observamos cómo se pierde la ambigüedad del mundo cuántico, cómo se "fabrica" la realidad cotidiana ante nuestros ojos.
Un proceso
Es decir, el gato de Schrödinger no vive o muere de golpe, sino que su suerte final es un proceso que dura al menos una millonésima de segundo.
La película de ese brevísimo momento muestra cómo durante la medición se pierde esa superposición de estados: el gato está vivo y muerto a la vez, pero una de las opciones colapsa.
Es decir, las dos probabilidades superpuestas "dudan" en el momento de elegir entre la vida y la muerte del gato, antes de que Schrödinger termine de abrir la caja.
Animación del resultado del experimento: las alturas de las barras indican el grado de superposición de los posibles estados cuánticos. La película muestra cómo durante la medición se pierden algunas de las superposiciones, y cómo esta pérdida es gradual, mientras que otras se conservan como deberían estar en una medición cuántica ideal. Fuente: F. Pokorny et al. (Click sobre la imagen para ver la animación).
Estados cuánticos
Explicado en términos físicos, el gato refleja lo que es el estado cuántico de un átomo: está formado por la situación de los electrones que circulan alrededor del núcleo atómico.
El electrón rodea al núcleo siguiendo una órbita, pero como es una partícula cuántica, puede estar en dos órbitas diferentes a la vez.
La observación del detalle de este momento muestra dos cosas: que el electrón se mantiene en dos órbitas a la vez y que la medición es la que le obliga a elegir la órbita en la que va a ser medido.
Ordenadores cuánticos
"Estos hallazgos arrojan nueva luz sobre el funcionamiento interno de la naturaleza y son consistentes con las predicciones de la física cuántica moderna", explica Markus Hennrich, director del grupo de investigación.
Añade que estos resultados también son importantes más allá de la teoría cuántica fundamental y que potenciarán los ordenadores cuánticos.
Revela que la Universidad de Estocolmo a la que pertenece está trabajando en ordenadores basados en iones atrapados: usan las mediciones para leer el resultado al final de un cálculo cuántico.
Explicado en términos físicos, el gato refleja lo que es el estado cuántico de un átomo: está formado por la situación de los electrones que circulan alrededor del núcleo atómico.
El electrón rodea al núcleo siguiendo una órbita, pero como es una partícula cuántica, puede estar en dos órbitas diferentes a la vez.
La observación del detalle de este momento muestra dos cosas: que el electrón se mantiene en dos órbitas a la vez y que la medición es la que le obliga a elegir la órbita en la que va a ser medido.
Ordenadores cuánticos
"Estos hallazgos arrojan nueva luz sobre el funcionamiento interno de la naturaleza y son consistentes con las predicciones de la física cuántica moderna", explica Markus Hennrich, director del grupo de investigación.
Añade que estos resultados también son importantes más allá de la teoría cuántica fundamental y que potenciarán los ordenadores cuánticos.
Revela que la Universidad de Estocolmo a la que pertenece está trabajando en ordenadores basados en iones atrapados: usan las mediciones para leer el resultado al final de un cálculo cuántico.
Referencia
Tracking the Dynamics of an Ideal Quantum Measurement. Fabian Pokorny et al. Physical Review Letters, 124 , 080401. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.080401
Tracking the Dynamics of an Ideal Quantum Measurement. Fabian Pokorny et al. Physical Review Letters, 124 , 080401. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.080401
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Los electrones abren un nuevo mundo a la física cuántica
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