Tecnologías cuánticas

Una nueva tecnología abre una brecha en el principio de incertidumbre de la física cuántica

Es capaz de medir con una precisión inédita la velocidad y la posición de una partícula gracias al entrelazamiento cuántico

Una nueva tecnología abre una brecha en el principio de incertidumbre de la física cuántica
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EDUARDO MARTÍNEZ DE LA FE

Investigadores austriacos han desarrollado una especie de cámara que puede medir con una precisión inédita las propiedades esquivas de un sistema cuántico: abre una brecha en el principio de incertidumbre de Heisenberg que puede mejorar la biomedicina y la detección de ondas gravitacionales.

Un grupo de investigadores liderados por la Universidad Nacional de Australia (ANU) ha conseguido un paso significativo en el desarrollo de las tecnologías cuánticas.

Dicho brevemente, este desarrollo consigue una precisión inédita en la medición de procesos cuánticos, lo que impulsará una amplia gama de tecnologías de próxima generación, incluida la biomédica o la detección de ondas gravitacionales.

Una de las grandes dificultades de las tecnologías cuánticas, que por lo demás no ha impedido su desarrollo, aunque con significativas limitaciones, se refiere al proceso de medición.

En el mundo ordinario, medir, por ejemplo, la velocidad de un vehículo en movimiento y determinar al mismo tiempo su posición, es algo relativamente sencillo.

Tráfico cuántico

Una simple cámara es capaz de determinar ambas medidas mediante el así llamado Efecto Doppler. Las multas que a veces recibimos por exceso de velocidad son un claro ejemplo de esta tecnología.

El sonido característico de un tren que pasa es un ejemplo clásico del Efecto Doppler: su percepción es diferente según seamos un observador externo o un viajero. Para el observador externo, el sonido aumenta según se acerca el tren y disminuye a medida que se aleja. Para el viajero, siempre suena igual. Las cámaras de tráfico siguen este principio: miden las ondas electromagnéticas que se crean entre el objeto y el radar para determinar la velocidad de un coche al acercarse y alejarse de la cámara.

Pero si los agentes de tráfico tuvieran que medir la velocidad y posición de partículas subatómicas, la posibilidad de conseguirlo se complica porque esos coches cuánticos son partículas insignificantes que recorren distancias 1.000 millones de veces más pequeñas que un metro.

Una de las propiedades de este mundo cuántico es que los dos parámetros, como la velocidad y la posición, están estrechamente relacionados: si se ilumina un átomo con un láser para determinar su posición, los fotones absorbidos por el átomo cambian la velocidad de la partícula atómica. La posición y la velocidad del átomo no se pueden medir independientemente una de la otra.

Estas propiedades, “perversas” para nuestra percepción, de las partículas elementales, tienen nombre propio: se llaman propiedades conjugadas (o complementarias), un concepto tomado prestado de otras disciplinas como la mecánica lagrangiana.

Principio de incertidumbre

Esta propiedad de las partículas subatómicas es una manifestación directa del famoso principio de incertidumbre de Heisenberg: no es posible medir simultáneamente dos propiedades conjugadas de un objeto cuántico con precisión arbitraria (otra manera matemática de describir lo complejo).

Lo que ha conseguido la nueva investigación es, precisamente, abrir una brecha en este principio sacrosanto de la mecánica cuántica, del que ya se ha observado que sus formulaciones originales no se cumplen en algunos escenarios, destacan en su estudio los autores de esta investigación.

La nueva tecnología aporta una nueva fisura: ha diseñado una medida para determinar las propiedades conjugadas de los objetos cuánticos con una precisión que hasta ahora se consideraba imposible.

Este dispositivo de medición es el equivalente a una sofisticada cámara de tráfico: puede determinar la ubicación y la velocidad de un sistema cuántico con una exactitud inédita, explica Christian Marciniak, del Instituto de Física Experimental de la Universidad de Innsbruck y coautor de esgte artículo, citado por ORF.

Basta una imagen

Siguiendo con el ejemplo de la cámara de tráfico actual, tenemos dos posibilidades: si un vehículo se expone brevemente se puede obtener una imagen nítida del automóvil y conocer su ubicación con precisión.

Pero si el vehículo se expone durante más tiempo, la imagen del coche se ve borrosa, pero se puede utilizar para precisar mejor la distancia recorrida y calcular su velocidad con precisión, en perjuicio de la exactitud de la ubicación.

Para conseguir, por tanto, la precisión completa de la ubicación y de la velocidad de un vehículo en movimiento, necesitaríamos al menos dos cámaras.

Pero en el mundo cuántico, y con el desarrollo de esta tecnología, no haría falta: una sola imagen sería suficiente para determinar ambas variables, es decir, la ubicación y la velocidad, en paralelo y mejor que con el método de medición clásico.

El entrelazamiento es una característica fundamental de la mecánica cuántica y es una gran promesa para mejorar la metrología y las comunicaciones. / Daniels Joffe en Unsplash.

Entrelazamiento cuántico

La nueva técnica que consigue esta proeza gira en torno a una extraña peculiaridad de los sistemas cuánticos, conocida como entrelazamiento.

El entrelazamiento cuántico es uno de los fenómenos más desconcertantes de la mecánica cuántica. Cuando dos partículas, como los átomos, los fotones o los electrones, se entrelazan, experimentan un vínculo inexplicable que se mantiene incluso si las partículas están en lados opuestos del universo.

Según los investigadores, al entrelazar dos objetos cuánticos idénticos y medirlos juntos y en paralelo, los científicos pueden determinar sus propiedades con mayor precisión que si se midieran individualmente, debido tanto al entrelazamiento cuántico como a los registros colectivos que se obtienen con esta tecnología.

Principio de un largo camino

De todas formas, este logro tecnológico todavía está en sus inicios porque, aunque en teoría es posible entrelazar y medir tres o más sistemas cuánticos para lograr una precisión aún mayor, en la práctica todavía es complicado.

Los autores de este trabajo lo comprobaron al poner a prueba su dispositivo en 19 computadoras cuánticas diferentes: superconductoras, de iones atrapados y fotónicas.

Cuando entrelazaron varios sistemas cuánticos en esas plataformas, los experimentos no siempre resultaron satisfactorios debido a errores acumulados en el cálculo por parte de los ordenadores cuánticos.

Corrigiendo errores

Los autores confían, no obstante, en que las futuras computadoras cuánticas podrán superar estas limitaciones: con cúbits (bits cuánticos) dotados de corrector de errores, podrán medir de manera efectiva más y más copias de un sistema cuántico.

Esto supondría consagrar este nuevo dispositivo como herramienta útil para mejorar la medición de los sistemas cuánticos y ampliar así sus posibles aplicaciones.

El físico cuántico con sede en Innsbruck Thomas Monz, citado por la agencia austriaca APA, se refiere a los métodos de imágenes en medicina como ejemplo de estas posibles aplicaciones: "los campos magnéticos se utilizan en todas partes en imágenes médicas. Un método que mide más de un componente de estos campos al mismo tiempo ofrece grandes ventajas sobre los métodos clásicos. Este podría acortar el tiempo de examen o mejorar aún más la resolución".

Referencia

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Approaching optimal entangling collective measurements on quantum computing platforms. Lorcán O. Conlon et al. Nature Physics (2023). DOI:https://doi.org/10.1038/s41567-022-01875-7