Hace poco cayó en mis manos un libro de Sven Ortoli y Jean-Pierre Pharabod titulado  "El cántico de la cuántica". Es un libro de divulgación sobre los problemas de la interpretación de  la teoría cuántica. La traducción es pésima pero el contenido está bien. Plantea, en primer lugar, en qué consiste la interpretación de Copenhage y los problemas filosóficos que implica, relacionados con el problema de la medida y la reducción del paquete de ondas. También analiza el esperimento de Aspect, que es uno de los más conocidos mediante el que se pretendía comprobar si los resultados que se deducen de la interpretación de Conpenhage son correctos. El resultado del experimento fue positivo, de modo que seguimos teniendo una teoría que funciona correctamente pero que no podemos entender si pensamos con una lógica racional "clásica". El experimento de Aspect se basó en intentar medir la desigualdad de Bell, que plantea una cantidad que toma distintos valores dependiendo del tipo de interpretación de la indeterminación cuántica que se utilice. El libro está lleno de ejemplos divulgativos que intentan ayuda a entender el problema de la interpretación de la cuántica.

El único defecto que le veo es que ya se ha quedado anticuado ya que no trata ninguna de las nuevas teorías que intentan arrojar luz sobre el problema de la medida en mecánica cuántica, como la decoherencia.

En cualquier caso recomiendo el libro para el que esté interesado sobre las implicaciones filosóficas que conlleva la interpretación de Copenhage. 

Un grupo de investigación del Instituto de Nanotecnología de Canadá y la Univversidad de Alberta han conseguido sintetizar los puntos cuánticos más pequeños hasta el momento, con un tamaño del orden del nanometro. Estos puntos cuánticos están compuestos de un solo átomo de silicio que se encuentra aislado, de modo que un electrón que se encuentra dentro del punto está atrapado y no puede salir.

En las imágenes de la derecha se pueden ver dos puntos cuánticos prácticamente unidos, de modo que un electrón que se encuentre confinado en uno de ellos, puede pasar de uno a otro. En la primera imagen, el electrón está compartido por los dos puntos. En la segunda imagen se ha aplicado un campo eléctrico, colocando una carga de control, de modo que  el electrón se ha desplazado hacia un lado.

Las imágenes se han tomado utilizando un microscopio de efecto túnel a temperatura ambiente.

Estos puntos cuánticos pueden ser  el futuro para el desarrollo de los ordenadores cuánticos, ya que permiten controlar el estado de un solo electrón.

Estos días en los que estais estudiando para los primeros parciales los aprovecharé para poner algunos vídeos relacionados con la cuántica. Ya seguiré con los artículos cuando acaben los exámenes. El primer vídeo explica de forma más o menos sencilla en qué consiste el teletranspore  cuántico.

Suerte con los exámenes !

Ayer grabé el video que veis a continuación. Se trata de un material altamente diamagnético denominado grafito pirolítico y que levita sobre un campo magnético intenso creado por imanes de Neodimio-Hierro-Boro. Ya lo llevaré a clase cuando veamos en qué consiste el diamagnetismo.

Casi todas las aplicaciones de interés basadas en la física cuántica y que se están desarrollando en la actualidad, como los ordenadores cuánticos, el teletransporte, etc, están basados en un fenómeno que se denomina "entrelazamiento cuántico". La semana que viene intentaré escribir dos artículos: uno sobre un avance que se ha producido en el teletransporte y otro en el entrelazamiento. Para entenderlos es imprescindible conocer en qué consiste el entrelazamiento cuántico.

Como hemos visto en un artículo anterior, la física cuántica impide la clonación de un estado. Sin embargo, lo que no está prohibido es el teletransporte del estado de un sistema a otro. Mediante el teletransporte, el estado original del primer sistema se pierde y este estado es adquirido por el segundo sistema, de modo que en ningún momento se clona el estado. El teletransporte puede ser crucial en el avance de las comunicaciones cuánticas y de la computacion cuántica.

Para realizar el teletransporte, es imprescindible conseguir un estado entrelazado (ver el artículo sobre entrelazamiento cuántico) de los dos iones de Iterbio. En estos estados, cuando se mide el estado de uno de los dos iones se colapsa instantáneamente el estado del otro, lo que permite realizar el teletransporte. Se ha escogido este tipo de iones por tener dos estados de energía similar: uno el estado fundamental y otro con una energía un poco por encima. Estos dos estados juegan el papel de los dos posibles estados de un bit cuántico, o como se conoce habitualmente qubit.

Hace algunos años el físico Lucien Hardy propuso un experimento imaginario y una paradoja dentro de la Física Cuántica. De acuerdo con la interpretación de Copenhage de la Física Cuántica, cuando realizamos una medida de un sistema físico se produce un cambio en el estado del sistema (reducción o colapso del paquete de ondas). Este cambio no se refiere a un cambio sobre nuestra percepción del sistema sino a un cambio real sufrido por el sistema. Por otro lado, la única forma que tenemos de conocer un sistema es midiendo sobre él y por tanto produciendo dicho colapso en el estado del sistema.

Hardy propone que puesto que nosotros no podemos influir sobre el pasado, al no poderlo modificar, no tiene sentido hablar del pasado ya que no podemos conocerlo puesto que de acuerdo con la teoría cuántica conocer implica cambiar, modificar.

Pues bien, los físicos Aephraim Steinberg y Jeff Lundeen de la Universidad de Toronto han construido un dispositivo experimental en el que se realiza una "medida débil", basándose en la teoría desarrollada por  Yakir Aharonov de la Universidad de Tel Aviv. Mediante esta medida débil, se obtiene información sobre el sistema produciendo una perturbación en el sistema menor que la indeterminación de la magnitud que se quiere medir. De este modo la medida provoca un cambio en el sistema que es imperceptible desde el punto de vista del sistema. Este tipo de medida podría resolver la paradoja de Hardy.

Ayer en clase a última hora (mecánica cuántica) os comenté que las colisiones que se realizan en los grandes aceleradores (como el LHC, que podeis ver en la wiki) se hacen en el sistema de referencia del centro de masas por ser más efectivas. Sin embargo, no os vi muy convencidos.

Os voy a poner un ejemplo. Supongamos dos partículas de masas m₁=m₂=2kg que colisionan en el sistema de referencia del laboratorio, de modo que una se mueve a una velocidad v₁=1m/s y la otra está en reposo (v₂=0). La energía total del sistema será:

E = m₁v₁²/2 + m₂v₂²/2 = 2x1/2+0 = 1 J

¿Cuál será la energía en el sistema centro de masas? La velocidad del centro de masas es:

v_cm= (m₁v₁+m₂v₂)/(m₁+m₂) = (2x1+0)/(2+2) = 1/2 m/s

Por tanto, las velocidades de las partículas en el sistema centro de masas serán:

v₁' = 1-1/2 = 1/2 m/s      v₂' = 0-1/2 = -1/2 m/s

La energía en el sistema centro de masas será:

E' = m₁v₁'²/2 + m₂v₂'²/2 = 2x1/4/2 + 2x1/4/2 = 1/2 J

Esto quiere decir que si queremos realizar la misma colisión en el sistema centro de masas nos hará falta la mitad de energía.

El grupo del instituto ETH de Zurich que dirige Úrsula Keller ha conseguido medir el retraso que sufren los electrones al atravesar una barrera por efecto túnel. El efecto túnel es una de las consecuencias inmediatas al construir una teoría ondulatoria para partículas, como la mecánica cuántica. Este efecto está absolutamente demostrado en el laboratorio y se utiliza de forma habitual en aparatos como el microscopio de efecto túnel. Tal como vimos en clase, la mecánica cuántica nos permite calcular el flujo de partículas que atravesará una barrera de potencial por efecto túnel y esto es lo que se ha comprobado experimentalmente en múltiples ocasiones.

La novedad de la investigación desarrollada por el grupo de Ursola Keller consiste en que han conseguido medir el retraso que sufren las partículas al atravesar una barrera de potencial por efecto túnel y esto es la primera vez que se mide. La dificultad de medir este  retraso consiste en que si queremos que exista efecto túnel la barrera tiene que ser muy estrecha y el tiempo el tiempo de retraso será por tanto muy pequeño. De hecho es del orden de 500 attosegundos (500x10^-18 segundos). Las medidas las realizan mediante lo que han denominado "attoreloj" (reloj de attosegundos), que se basa en un láser de pulsos que emite el infrarrojo y que está polarizado circularmente. En su dispositivo experimental el pulso del láser se mueve a lo largo de una trayectoria helicoidal. El campo eléctrico tarda 2.4 femtosegundos en rotar una vuelta completa, y este campo eléctrico jugaría el papel de "manecilla del reloj". Al incidir con el láser sobre un átomo de Helio, uno de los electrones puede salir por efecto túnel dejando el átomo ionizado. Finalmente el electrón emitido se mide mediante un detector.

Como resultado, han obtenido que los electrones no sufren prácticamente ningún retraso al atravesar la barrera de potencial. Este resultado parece ser contradictorio con las predicciones de la mecánica cuántica. Sin embargo, el físico teórico Harm Geert Muller ha rehecho los cálculos sobre el experimento y ha concluido que los resultados experimentales están de acuerdo con los resultados numéricos que se obtienen resolviendo la ecuación de Schrödinger.

Proyecto ALICE 

El proyecto ALICE (Accelerators and Lasers In Combined Experiments) pretende conseguir un haz de electrones de 35MeV mediante un acelerador lineal y reutilizando energía de haces previamente acelerados. Este acelerador se encuentra en Daresbury (Reino Unido). Pues bien el proyecto ha conseguido por primera un haz de 11MeV reutilizando energía, demostrando que este nuevo método de aumentar la energía del haz obtenido reutilizando energía funciona.

Enlaces

• ALICE en la Wikipedia
• Noticia de Science Daily