By: Philip Ball
Una prueba reciente ha confirmado las predicciones de la teoría de la trayectoria cuántica, que describe lo que sucede durante el largo y misterioso "colapso" de un sistema cuántico.
Imagínese si todas nuestras teorías y modelos científicos nos dijeran solo sobre promedios: si los mejores pronósticos meteorológicos solo pudieran brindarle la cantidad promedio diaria de lluvia esperada durante el próximo mes, o si los astrónomos solo pudieran predecir el tiempo promedio entre eclipses solares.
En los primeros días de la mecánica cuántica, esa parecía ser su limitación inevitable: era una teoría probabilística, que nos decía solo lo que observaremos en promedio si recopilamos registros de muchos eventos o partículas. Para Erwin Schrödinger, cuya ecuación homónima prescribe cómo se comportan los objetos cuánticos, no tenía ningún sentido pensar en átomos o electrones específicos haciendo cosas en tiempo real. “Es justo afirmar”, escribió en 1952, “que no estamos experimentando con partículas individuales. … Estamos examinando los registros de los eventos mucho después de que hayan sucedido “. En otras palabras, la mecánica cuántica parecía funcionar solo para “conjuntos” de muchas partículas. “Cuando el conjunto es lo suficientemente grande, es posible adquirir suficientes estadísticas para verificar si las predicciones son correctas o no”, dijo Michel Devoret., físico de la Universidad de Yale.
Pero hay otra forma de formular la mecánica cuántica para que pueda hablar sobre eventos individuales que suceden en sistemas cuánticos individuales. Se llama teoría de la trayectoria cuántica (QTT) y es perfectamente compatible con el formalismo estándar de la mecánica cuántica; en realidad, es solo una vista más detallada del comportamiento cuántico. La descripción estándar se recupera en escalas de tiempo largas después de que se calcula el promedio de muchos eventos.
La teoría de la trayectoria cuántica hace predicciones que son imposibles de realizar con la formulación estándar.
En un desafío directo a la visión pesimista de Schrödinger, “QTT trata precisamente con partículas individuales y con eventos justo cuando están sucediendo”, dijo Zlatko Minev , quien completó su doctorado en el laboratorio de Devoret en Yale. Al aplicar QTT a un experimento en un circuito cuántico, Minev y sus colaboradores pudieron recientemente capturar un “salto cuántico” , un cambio entre dos estados de energía cuántica, a medida que se desarrollaba con el tiempo. También iban a lograr la notable hazaña de atrapar tal salto en pleno vuelo y revertirlo.
“La teoría de la trayectoria cuántica hace predicciones que son imposibles de hacer con la formulación estándar”, dijo Devoret. En particular, puede predecir cómo se comportarán los objetos cuánticos individuales, como las partículas, cuando se observen, es decir, cuando se realicen mediciones en ellos.
La ecuación de Schrödinger no puede hacer eso. Predice perfectamente cómo evolucionará un objeto con el tiempo si no lo medimos. Pero agregue la medición y todo lo que puede obtener de la ecuación de Schrödinger es una predicción de lo que verá en promedio en muchas mediciones, no lo que hará cualquier sistema individual. No le dirá qué esperar de un salto cuántico solitario, por ejemplo.
La medición descarrila la ecuación de Schrödinger debido a un fenómeno peculiar llamado retroacción cuántica . Una medición cuántica influye en el sistema que se está observando: el acto de observación inyecta una especie de ruido aleatorio en el sistema. Ésta es, en última instancia, la fuente del famoso principio de incertidumbre de Heisenberg. La incertidumbre en una medición no es, como pensó inicialmente Heisenberg, un efecto de una intervención torpe en un delicado sistema cuántico: un fotón que golpea una partícula y la desvía de su curso, por ejemplo. Más bien, es un resultado inevitable del efecto intrínsecamente aleatorio de la observación en sí. La ecuación de Schrödinger funciona bien para predecir cómo evoluciona un sistema cuántico, a menos que lo mida, en cuyo caso el resultado es impredecible.
La retroacción cuántica se puede considerar como una alineación imperfecta entre el sistema y el aparato de medición, dijo Devoret, porque no se sabe cómo es el sistema hasta que se mira. Lo compara con una observación de un planeta usando un telescopio. Si el planeta no está en el centro del marco del telescopio, la imagen será borrosa.
Sin embargo, QTT puede tener en cuenta la acción inversa. El problema es que, para aplicar QTT, debe tener un conocimiento casi completo sobre el comportamiento del sistema que está observando. Normalmente, una observación de un sistema cuántico pasa por alto mucha información potencialmente disponible: algunos fotones emitidos se pierden en su entorno, por ejemplo. Pero si prácticamente todo se mide y se conoce sobre el sistema, incluidas las consecuencias aleatorias de la acción de retroceso, entonces puede incorporar retroalimentación en el aparato de medición que hará ajustes continuos para compensar la acción de retroceso. Es equivalente a ajustar la orientación del telescopio para mantener el planeta en el centro.
Para que esto funcione, el aparato de medición tiene que recopilar datos más rápido que la velocidad a la que el sistema sufre cambios significativos, y tiene que hacerlo con una eficiencia casi perfecta. “Esencialmente, toda la información que sale del sistema y es absorbida por el medio ambiente debe pasar a través del aparato de medición y registrarse”, dijo Devoret. En la analogía astronómica, el planeta tendría que estar iluminado solo por la luz proveniente del observatorio, que de alguna manera también recolectaría toda la luz que se reemite.
Lograr este grado de control y captura de información es un gran desafío. Por eso, aunque QTT ha existido durante un par de décadas, “es solo en los últimos cinco años que podemos probarlo experimentalmente”, dijo William Oliver del Instituto de Tecnología de Massachusetts. Minev desarrolló innovaciones para asegurar eficiencias de medición cuántica de hasta 91%, y “este desarrollo tecnológico clave es lo que nos permitió convertir la predicción en un experimento verificable e implementable”, dijo.
Con estas innovaciones, “es posible saber en todo momento dónde está el sistema, dada su historia pasada reciente, incluso si algunas características del movimiento se vuelven impredecibles a largo plazo”, dijo Devoret. Es más, este conocimiento casi completo de cómo el sistema cambia suavemente con el tiempo permite a los investigadores “rebobinar la cinta” y evitar el aparentemente irreversible “colapso de la función de onda” del formalismo cuántico estándar. Así es como los investigadores pudieron revertir un salto cuántico en pleno vuelo.
El excelente acuerdo entre las predicciones de QTT y los resultados experimentales sugiere algo más profundo que el mero hecho de que la teoría funciona para sistemas cuánticos únicos. Significa que la “trayectoria cuántica” altamente abstracta a la que se refiere la teoría (un término acuñado en la década de 1990 por el físico Howard Carmichael , coautor del artículo de Yale) es una entidad significativa; en palabras de Minev, “se le puede atribuir un grado de la realidad “. Esto contrasta con la opinión común cuando se introdujo por primera vez QTT, que sostenía que era solo una herramienta matemática sin un significado físico claro.
Pero, ¿cuál es exactamente esta trayectoria? Una cosa está clara: no es como una trayectoria clásica, es decir, un camino tomado en el espacio. Es más como el camino tomado a través del espacio abstracto de posibles estados que podría tener el sistema, que se llama espacio de Hilbert. En la teoría cuántica tradicional, ese camino se describe mediante la función de onda de la ecuación de Schrödinger. Pero de manera crucial, QTT también puede abordar cómo las mediciones afectan esa ruta, lo que la ecuación de Schrödinger no puede hacer. En efecto, la teoría utiliza observaciones cuidadosas y completas de la forma en que el sistema se ha comportado hasta ahora para predecir lo que hará en el futuro.
Podrías comparar esto vagamente con pronosticar la trayectoria de una sola molécula de aire. La ecuación de Schrödinger juega un papel un poco como la ecuación de difusión clásica, que predice qué tan lejos en promedio viaja una partícula en el tiempo cuando sufre colisiones. Pero QTT predice a dónde irá una partícula específica, basando su pronóstico en información detallada sobre las colisiones que la partícula ya ha experimentado. La aleatoriedad todavía está en juego: no se puede predecir perfectamente una trayectoria en ninguno de los casos. Pero QTT le dará la historia de una partícula individual y la capacidad de ver hacia dónde podría dirigirse a continuación.
