19/7/11

Gato de Schrödinger

Schrödinger nos propone un sistema formado por una caja cerrada y opaca que contiene un gato, una botella de gas venenoso, una partícula radiactiva con un 50% de probabilidades de desintegrarse en un tiempo dado y un dispositivo tal que, si la partícula se desintegra, se rompe la botella y el gato muere.

Al depender todo el sistema del estado final de un único átomo que actúa según las leyes de la mecánica cuántica, tanto la partícula como la vida del gato estarán sometidos a ellas. De acuerdo a dichas leyes, el sistema gato-dispositivo no puede separarse en sus componentes originales (gato y dispositivo) a menos que se haga una medición sobre el sistema. El sistema gato-dispositivo está en un entrelazamiento, Verschränkung, en alemán originalmente.

Siguiendo la interpretación de Copenhague, mientras no abramos la caja, el sistema, descrito por una función de onda, tiene aspectos de un gato vivo y aspectos de un gato muerto, por tanto, sólo podemos predicar sobre la potencialidad del estado final del gato y nada del propio gato. En el momento en que abramos la caja, la sola acción de observar modifica el estado del sistema tal que ahora observamos un gato vivo o un gato muerto. Esto se debe a una propiedad física llamadasuperposición cuántica que explica que el comportamiento de las partículas a nivel subatómico no puede ser determinado por una regla estricta que defina su función de onda. La física cuántica postula que la pregunta sobre la vida del gato sólo puede responderse probabilísticamente.

La paradoja ha sido objeto de gran controversia tanto científica como filosófica, al punto que Stephen Hawking ha dicho: «cada vez que escucho hablar de ese gato, empiezo a sacar mi pistola», aludiendo al suicidio cuántico, una variante del experimento de Schrödinger.[cita requerida]

De hecho, aparte de la interpretación de Copenhague, existen otras maneras de ver este problema.

Interpretación relacional

La interpretación relacional no hace distinciones entre el experimentador, el gato o el aparato, o entre seres animados oinanimados: todos son sistemas cuánticos gobernados por las mismas reglas de evolución de la función de onda, y todospueden ser considerados como "observadores".

Pero esta interpretación permite que diferentes observadores puedan dar cuenta de la serie de eventos observados demanera diferente, dependiendo de la información que cada uno tiene del sistema. Así, el gato puede también serconsiderado un observador del aparato mientras que el experimentador puede ser considerado otro observador del sistemacompleto (caja más aparato).

Antes de abrir la caja, el gato tiene información sobre el estado del aparato (el átomo ha decaído o no), pero elexperimentador no tiene esa información sobre lo que ha ocurrido en la caja. Así, los dos observadores simultáneamentetienen distintos registros de lo que ha ocurrido: para el gato, la función de onda del aparato ya ha colapsado, mientras quepara el experimentador el contenido de la caja está aún en un estado de superposición.

Solamente cuando la caja se abre, y ambos observadores tienen la misma información sobre lo que ha pasado, los dosestados del sistema colapsan en el mismo resultado, y el gato está entonces vivo o muerto.

[editar]Interpretación asambleística

Esta interpretación descarta la idea de que en mecánica cuántica un sistema físico individual (importante esta palabra) sepueda describir con una descripción matemática concisa (un estado) y es más cercana a la visión de la realidad de la físicaclásica. En ella, la función de onda no describe un sistema físico real e individual, sino una especie de medida estadísticade muchos experimentos a los que se someten sistemas físicos idénticos. La función de ondas es una abstracciónmatemática que describe el sistema pero no existe en realidad como puede existir un campo eléctrico. Y un sistema físiconunca se encontrará en una mezcla de estados, así que el sistema no tendrá que colapsar a uno de ellos en ningúnmomento. Según la interpretación de Copenhague, antes de la medida existe ese estado de superposición. Según estainterpretación, se trata de un artificio aplicable para el conjunto de medidas.

En la interpretación asambleística las superposiciones de estados no son sino subasambleas de una asamblea deexperimentos mayor. Si esto fuera así, lo que tendría sentido es describir mediante un estado no un experimento particulardel gato de Schrödinger sino muchos experimentos similares preparados en condiciones semejantes. Según losproponentes de esta interpretación (Leslie E. Ballantine), la paradoja del gato de Schrödinger es trivial, porque no haynecesidad de que la función de onda colapse a la de un sistema físico individual.

Pero esta interpretación de las cosas, que funciona para sistemas no individuales, tuvo problemas para explicar lo queocurre en los experimentos en los que físicamente sabemos que sólo hay una partícula (experimento de la doble rendija),en los que las otras interpretaciones son acordes con lo que se observa, y que apuntan a que los estados superpuestos describen "realmente" un único sistema. Por ello, esta interpretación sólo tiene interés histórico.

Realizan con seis fotones el experimento del gato de Schrödinger

Realizan con seis fotones el experimento del gato de Schrödinger

Todo un récord de la física de partículas que nos acerca más a los ordenadores cuánticos


Un equipo internacional de físicos ha conseguido generar en laboratorio la intricación cuántica de seis fotones, realizando así el experimento de pensamiento conocido como gato de Schrödinger. Este resultado, que constituye todo un récord de la física de partículas, abre las puertas a una futura experimentación con los llamados qubits (unidades cuánticas de información), que son la base de los pretendidos ordenadores cuánticos. La mecánica cuántica aplicada al procesamiento de información computacional aún no ha podido convertirse en una realidad por problemas inherentes al propio funcionamiento de las partículas subatómicas, pero esta limitación está ahora más cerca de ser superada. Por Yaiza Martínez.



Creación del gato de Schrödinger. WP.
Creación del gato de Schrödinger. WP.
Un equipo internacional de físicos ha conseguido generar en laboratorio la intricación cuántica de seis fotones, realizando así el experimento de pensamiento conocido como gato de Schrödinger.

El término intricación cuántica designa el hecho de que toda pareja o grupo de objetos cuánticos puede ponerse en una superposición de estados. Cada uno de estos estados describe muchos objetos a la vez, cuyas propiedades están vinculadas: si un objeto está en un cierto estado, determina en parte el estado de otro objeto.

El físico Erwin Schrödinger trató de explicar la intricación cuántica y la superposición de estados de una forma tan sencilla como inquietante: en una caja cerrada y opaca se mete un gato, una botella de gas venenoso, un átomo radioactivo con un 50% de probabilidades de desintegrarse y un dispositivo que, de desintegrarse la partícula, rompería la botella, produciendo la muerte del gato por envenenamiento.

Por tanto, el destino del gato dependía de un solo átomo que actuaría según la mecánica cuántica, por lo que todo el sistema estaría sometido a sus leyes. La llamada “interpretación de Copenhague” señala que estas leyes funcionan de la siguiente manera: mientras no abramos la caja, el gato está a un tiempo muerto y vivo y que sólo la acción de abrir la caja y observarlo reduce las probabilidades a una de ellas.

El rato en que el gato puede estar vivo o muerto es lo que se denomina una “superposición de estados” osuperposición cuántica. Se trata de un estado evidentemente paradójico, pero que refleja el funcionamiento de la materia a escala subatómica.

Experiencias de laboratorio

Estos experimentos de pensamiento son en la actualidad meras experiencias de laboratorio que se desarrollan en la frontera de la mecánica cuántica. Abordan varios conceptos como la decoherencia y la “no localidad”, funciones que, según Roger Penrose, podrían estar implicadas incluso en el funcionamiento cerebral.

Sin embargo, la aplicación más práctica que puede derivarse de la superposición de estados es el hipotético desarrollo de ordenadores cuánticos, con unas capacidades de tratamiento de la información muy superiores a la de los ordenadores actuales y con unas garantías de seguridad absolutas.

La criptografía cuántica, a la que ya nos hemos referido, así como la teletransportación cuántica, de la que también hemos hablado, y los ordenadores cuánticos, son los desarrollos más significativos asociados a estos experimentos.

Del bit al qubit

En el caso de los ordenadores cuánticos, las aplicaciones de los estados superpuestos podrían ser espectaculares: de la representación de la información en cadenas de bits (unidades binarias de información) de los ordenadores clásicos, se pasaría a la representación cuántica de la información con los qubits (unidades que aúnan muchas más posibilidades de información que los bits), que permitirían almacenar y transmitir la información de una forma sin precedentes en la industria informática, pudiendo realizar un trabajo en paralelo que resulta imposible con los ordenadores actuales.

Un qubit representa una superposición de los bits 0,1 que se realiza en un mundo estrictamente cuántico, ya que en nuestro mundo clásico tal superposición se reduce necesariamente a uno de sus componentes 0, 1, con probabilidades respectivas que dependen del estado cuántico en cuestión (el famoso “colapso” del estado cuántico que se produce al medir el mismo o el momento en que se abre la caja del gato).

La existencia de qubits, junto al hecho de que dos o más de éstos puedan combinarse en los llamados estados superpuestos, abre un abanico de posibilidades en el dominio de la información, aunque la realidad es que los ordenadores cuánticos aún son una posibilidad muy remota, por problemas explicados en otro artículo de esta revista.

Un paso adelante

El científico Chao-Yang Lu y sus colegas de la University of Science and Technology de China, que han trabajado en colaboración con universidades austriacas y alemanas, quizá haya dado un paso adelante hacia la consecución de este tipo de informática cuántica.

Con el paso del tiempo, los físicos han descubierto que los estados cuánticos entrelazados (en los que varias partículas cuánticas se involucran de forma íntima), pueden analizarse de una manera eficaz con lo que se denominan “gráficos de estado”.

Se trata de gráficos matemáticos cuyos vértices representarían el espín de los sistemas cuánticos y cuyos bordes reflejarían las interacciones entre estos espines o momentos angulares de las partículas subatómicas.

Estos gráficos han servido al científico Lu y a sus colaboradores para representar una situación del tipo “gato de Schröedinger”, es decir, de superposición de estados cuánticos, pero con seis fotones, lo que supone todo un récord.

Futura experimentación

Los científicos siguieron una técnica con la que « bombearon » fotones en un cristal con la ayuda de un láser de luz ultra-violeta. Estos fotones tienen la propiedad de desintegrarse espontáneamente, dividiéndose a su vez en dos fotones intricados.

Tomando tres pares de estos fotones, y utilizando haces de luz para separarlos, se puede obtener diversos estados intricados de seis fotones, que permanecen polarizados en estado horizontal o vertical (similares al estado de “vivo” o “muerto” del gato de Schröedinger).

Según explican Lu y sus colegas en un artículo, los investigadores consiguieron por tanto realizar diversos tipos de estados intricados con los seis fotones, como el estado en racimo o el estado Greenberger-Horne-Zeilinger.

Asimismo, señalan que ligeras modificaciones en su método permitirían la creación de otros muchos estados gráficos. La importancia de esta posibilidad de variación radica en que se pueden generar diversos entrelazamientos de seis fotones, así como estados gráficos multiqubit, que servirían como dispositivo de experimentación para el desarrollo de la computación cuántica.