By: La conversación
Prepárate para la magia de la física cuántica
Las computadoras cuánticas , la criptografía cuántica y la cuántica (insertar nombre aquí) suelen estar en las noticias en estos días. Los artículos sobre ellos se refieren inevitablemente al entrelazamiento , una propiedad de la física cuántica que hace posibles todos estos dispositivos mágicos.
Einstein llamó al entrelazamiento ” acción espeluznante a distancia “, un nombre que se ha mantenido y se ha vuelto cada vez más popular . Más allá de simplemente construir mejores computadoras cuánticas , comprender y aprovechar el entrelazamiento también es útil de otras maneras.
Por ejemplo, se puede utilizar para realizar mediciones más precisas de ondas gravitacionales y para comprender mejor las propiedades de materiales exóticos . También aparece sutilmente en otros lugares: he estado estudiando cómo los átomos que chocan entre sí se entrelazan, para comprender cómo afecta esto a la precisión de los relojes atómicos.
Pero, ¿qué es el enredo? ¿Hay alguna forma de entender este fenómeno “espeluznante”? Intentaré explicarlo reuniendo dos nociones de la física: leyes de conservación y superposiciones cuánticas.
Leyes de conservación
Las leyes de conservación son algunos de los conceptos más profundos y omnipresentes de toda la física. La ley de conservación de la energía establece que la cantidad total de energía en un sistema aislado permanece fija (aunque puede convertirse de energía eléctrica en energía mecánica a calor, etc.). Esta ley es la base del funcionamiento de todas nuestras máquinas, ya sean motores de vapor o coches eléctricos. Las leyes de conservación son una especie de declaración contable: puede intercambiar bits de energía, pero la cantidad total debe permanecer igual.
La conservación del impulso (el impulso es la masa multiplicada por la velocidad) es la razón por la cual, cuando dos patinadores sobre hielo con masas diferentes se empujan, el más ligero se aleja más rápido que el más pesado. Esta ley también subyace en el famoso dicho de que “toda acción tiene una reacción igual y opuesta”. La conservación del impulso angular es la razón por la cual, volviendo a los patinadores sobre hielo, una patinadora artística que gira puede girar más rápido al acercar los brazos a su cuerpo.
Se ha verificado experimentalmente que estas leyes de conservación funcionan en un rango extraordinario de escalas en el universo, desde agujeros negros en galaxias distantes hasta los electrones giratorios más diminutos .
Suma cuántica
Imagínese en una agradable caminata por el bosque. Llegas a una bifurcación en el camino, pero te encuentras luchando para decidir si ir a la izquierda o a la derecha. El camino de la izquierda parece oscuro y lúgubre, pero se dice que conduce a unas bonitas vistas, mientras que el de la derecha parece soleado pero empinado. Finalmente decides ir a la derecha, preguntándote con nostalgia por el camino que no tomaste . En un mundo cuántico, podrías haber elegido ambos.
Para los sistemas descritos por la mecánica cuántica (es decir, cosas que están suficientemente bien aisladas del calor y las perturbaciones externas), las reglas son más interesantes. Al igual que una peonza, un electrón, por ejemplo, puede estar en un estado en el que gira en el sentido de las agujas del reloj, o en otro estado en el que gira en el sentido contrario a las agujas del reloj. Sin embargo, a diferencia de una peonza, también puede estar en un estado que es [girando en el sentido de las agujas del reloj] + [girando en el sentido contrario a las agujas del reloj] .
Los estados de los sistemas cuánticos se pueden sumar y restar entre sí . Matemáticamente, las reglas para combinar estados cuánticos se pueden describir de la misma manera que las reglas para sumar y restar vectores . La palabra para tal combinación de estados cuánticos es superposición . Esto es realmente lo que hay detrás de los extraños efectos cuánticos de los que puede haber oído hablar, como el experimento de la doble rendija o la dualidad partícula-onda.
Supongamos que decide forzar a un electrón en el estado de superposición [girando en el sentido de las agujas del reloj] + [girando en el sentido contrario a las agujas del reloj] para obtener una respuesta definitiva. Entonces, el electrón termina aleatoriamente en el estado [girando en el sentido de las agujas del reloj] o en el estado [girando en el sentido contrario a las agujas del reloj] . Las probabilidades de un resultado frente al otro son fáciles de calcular (con un buen libro de física a la mano). La aleatoriedad intrínseca de este proceso puede molestarle si su visión del mundo requiere que el universo se comporte de una manera completamente predecible , pero… c’est la (probado experimentalmente) vie .
Leyes de conservación y mecánica cuántica
Juntemos estas dos ideas ahora y apliquemos la ley de conservación de la energía a un par de partículas cuánticas.
Imagínese un par de partículas cuánticas (digamos átomos) que comienzan con un total de 100 unidades de energía. Tú y tu amigo separan el par, tomando uno cada uno. Descubres que el tuyo tiene 40 unidades de energía. Usando la ley de conservación de la energía, deduces que la que tiene tu amigo debe tener 60 unidades de energía. Tan pronto como conozca la energía de su átomo, también conocerá inmediatamente la energía del átomo de su amigo. Lo sabrías incluso si tu amigo nunca te revelara ninguna información. Y lo sabría incluso si su amigo estuviera al otro lado de la galaxia en el momento en que midió la energía de su átomo. No tiene nada de espeluznante (una vez que te das cuenta de que esto es solo una correlación, no una causalidad).
Pero los estados cuánticos de un par de átomos pueden ser más interesantes. La energía del par se puede dividir de muchas formas posibles (de acuerdo con la conservación de energía, por supuesto). El estado combinado del par de átomos puede estar en superposición, por ejemplo:
[su átomo: 60 unidades; átomo de amigo: 40 unidades] + [tu átomo: 70 unidades; átomo de amigo: 30 unidades].
Este es un estado entrelazado de los dos átomos. Ni tu átomo ni el de tu amigo tienen una energía definida en esta superposición. Sin embargo, las propiedades de los dos átomos están correlacionadas debido a la conservación de la energía: sus energías siempre suman 100 unidades.
Por ejemplo, si mide su átomo y lo encuentra en un estado con 70 unidades de energía, puede estar seguro de que el átomo de su amigo tiene 30 unidades de energía. Lo sabrías incluso si tu amigo nunca te revelara ninguna información. Y gracias a la conservación de energía, lo sabrías incluso si tu amigo estuviera al otro lado de la galaxia.
No tiene nada de espeluznante.
