Toda una proeza que impulsará la creación de ordenadores cuánticos
Tras quince años de esfuerzos, un equipo de físicos franceses ha medido el estado de un fotón,
o partícula cuántica de la luz, sin destruirlo.
Gracias a una elaborada técnica, un único fotón ha podido ser atrapado
dentro de una cavidad superconductora para observar, en tiempo real,
su nacimiento, vida y muerte durante un intervalo de tiempo de segundos.
Este experimento abre la posibilidad a extraer repetidamente información
del mismo fotón, que de esta forma podría compartir su información
con un conjunto de átomos y conformar un “entrelazamiento cuántico”
de luz o materia que es la base de los ordenadores cuánticos.
Tras quince años de esfuerzos, un equipo de físicos del Laboratoire
Kastler-Brossel de la École Normale Supérieure de París ha conseguido
una auténtica proeza: medir el estado de un fotón, o partícula cuántica de la luz, sin destruirlo.
Uno de los artífices de este logro científico, explicó el pasado 10 de mayo,
cómo él y sus colaboradores, entre otros, manipularon y controlaron un solo átomo y fotones individuales que interactuaron en una cavidad,
que consistía en una caja formada por paredes altamente reflectantes.
Los sistemas cuánticos microscópicos tienen la característica de “saltar” de un estado cuántico a otro de una forma
que aún no ha sido del todo comprendida por su rareza
y aparente falta de lógica.
Los físicos, sin embargo, habían conseguido hasta el momento detectar los saltos cuánticos de átomos, electrones, iones
(átomos o moléculas cargados eléctricamente) y otras partículas,
pero no habían podido “ver” los fotones, que normalmente son destruidos cuando llegan a ser detectados.
Ahora, gracias a una elaborada técnica, descrita en la revista Nature,
un único fotón ha podido ser atrapado dentro de una cavidad superconductora para observar, en tiempo real, su nacimiento, su vida y su muerte durante
un intervalo de tiempo de segundos.
Electrodinámica cuántica en cavidades
La proeza se ha basado en la llamada electrodinámica cuántica en cavidades, que es un campo de la óptica cuántica que permite instalar en cavidades pequeñas los átomos y los fotones, que en estas condiciones muestran
un comportamiento distinto del que ofrecen en el espacio libre, ilustrando,
en tal caso, ciertos principios de la física cuántica que permitirán el desarrollo
de nuevos sensores, entre otras aplicaciones.
Estudiando el comportamiento de estos átomos y fotones en este entorno protegido, los físicos han podido ilustrar aspectos fundamentales de la teoría cuántica, como la superposición, la complementariedad y la decoherencia.
La superposición cuántica es la aplicación del llamado principio de superposición a la mecánica cuántica, y ocurre cuando un objeto posee simultáneamente
dos o más valores de una cantidad observable, como la posición
o la energía de una partícula.
Este fenómeno fue representado por el físico Erwin Schrödinger en 1935
con el bien conocido ejemplo del gato de Schrödinger.
El principio de complementariedad, por su parte, supone que los sistemas cuánticos muestran características y propiedades “complementarias”
que no pueden determinarse de manera simultánea
(por ejemplo: el carácter onda-partícula, o la pareja de magnitudes
posición-velocidad).
Y, por último, la decoherencia sería la consecuencia inevitable del enredo incontrolable que tienen todos los sistemas físicos con su ambiente.
Fotones elusivos
Un fotón generalmente no es observable porque
desaparece cuando se encuentra.
El ojo, como la mayoría de los receptores de luz
(denominados fotorreceptores electrónicos),
absorben irremisiblemente los fotones que detecta y,
por tanto, la información que porta la luz es destruida a medida
que ésta se registra.
Por tanto, al intentar observarlos, estos fotones se “escapan”,
de manera imprevisible y repentina, realizando un salto cuántico
es decir, cambiando de estado cuántico).
Sin embargo, los científicos franceses han logrado, por vez primera,
registrar en directo sus vidas.
La clave de este experimento ha sido dicha cavidad, que está formada
por dos espejos superconductores que fueron enfriados a una temperatura próxima al cero absoluto.
Entre los espejos, situados uno frente a otro a una distancia de 2,7 centímetros, un fotón procedente de una radiación térmica residual rebotó más
de un billón de veces antes de desaparecer, esto es, viajando una media
del trayecto equivalente a la circunferencia de la Tierra.
Habitualmente, los fotones son detectados por absorción atómica.
Un átomo puede existir en diversos estados de energía y puede absorber
un fotón pasando así de un estado a otro de energía superior.
Midiendo la variación de la energía de estos átomos que atraviesan la cavidad, se puede saber si contienen o no un fotón,
pero se destruiría y no podría detectarse más que una vez.
Astucia y logros
La astucia de los investigadores ha sido elegir unos átomos
cuya transición entre dos estados (0 y 1) energéticos se correspondían
a una energía diferente de la de los fotones.
La conservación de la energía es imposible cuando el átomo absorbe la luz.
Por el contrario, la presencia del fotón modifica ligeramente la frecuencia
de la transición atómica (medida con la ayuda de un campo de micro-ondas auxiliar presente en el exterior de la cavidad).
Por tanto, el átomo alcanza el estado 1 si la cavidad contiene un fotón y permanece en el estado 0 si ésta está vacía, como en el método clásico, pero en este caso la energía lumínica absorbida por el átomo es rastreada por dicho campo auxiliar en lugar de por la cavidad.
Así, los investigadores pudieron registrar numerosas secuencias de varios segundos durante las cuales los miles de átomos que atravesaron
la cavidad fueron detectados en estado 0 (no habiendo absorbido fotones)
ó 1 (habiéndolos absorbidos).
Así pudieron saber cuándo un fotón había quedado atrapado entre los espejos, procedentes de la radiación térmica que hemos mencionado.
La permanencia de los fotones en la cavidad duraba una media de un décimo
de segundo, pero en algunas secuencias el fotón sobrevivió más tiempo,
incluso hasta medio segundo.
Después, desaparecían repentinamente, dejando de nuevo vacía la cavidad.
Los momentos en que los fotones aparecían y desaparecían revelaron los saltos cuánticos de la luz que se producen por azar.
Observando estos saltos durante varias horas, los investigadores consiguieron verificar de manera directa las propiedades estadísticas de las radiaciones térmicas establecidas hace un siglo por Planck y Einstein.
En el experimento, la información transportada por un cuanto de luz
es transferida cientos de veces a un sistema material sin perderse.
El mismo fotón controla el estado de un gran número de átomos,
lo que supone un paso importante hacia el tratamiento
cuántico de la información.
Información cuántica
Este logro aparentemente sencillo ha sido descrito por Le Figaro
como “primicia mundial”.
El haber podido observar el fotón y sus múltiples repeticiones antes de ser destruido abre posibilidades de aplicación para la fabricación de los futuros ordenadores cuánticos, que, gracias a la física cuántica, que permite a las partículas estar en dos sitios a la vez, posibilitarían cálculos mucho más complejos que los ordenadores actuales.
La presente investigación estaría relacionada con la física de la información cuántica, un nuevo dominio que se encuentra en la frontera de las ciencias de la información y de la física y que intenta utilizar la “lógica” del mundo cuántico para materializar tareas en comunicación y computación que los dispositivos clásicos no pueden realizar.
. Los resultados de este nuevo experimento implican la posibilidad de extraer repetidamente información del mismo fotón, lo cual es extremadamente importante puesto que la mayor parte de toda la información que obtenemos del universo procede de la luz. Un fotón podría compartir por tanto su información con un conjunto de átomos y conformar un “entrelazamiento cuántico”
de luz o materia, señala Haroche.
El intento de controlar los sistemas cuánticos da lugar a importantes preguntas sobre la transición entre el comportamiento cuántico y el macroscópico de la materia y de la realidad pero, también, la oportunidad de generar dispositivos cuánticos de comunicación, aseguran los científicos.
El ordenador cuántico
Tal y como explica el CNRS, los ordenadores cuánticos utilizarían esta “lógica” cuántica para que cada unidad base (bit, 1 ó 0) de información se convirtiera en una superposición de dos estados (1 y 0 a la vez).
Es la unidad de información que ya se denomina qubit
(que se diferencia del bit clásico en que puede asumir el 1 y el 0,
no únicamente el 1 ó 0. Un estado qubital es, pues, la superposición cuántica
de esos dos estados).
La existencia de qubits, junto al hecho de que dos o más de éstos puedan combinarse en los llamados estados “entrelazados” (entangled),
abre un abanico de posibilidades en el dominio de la información
completamente desconocidas hasta la fecha.
La principal característica de un estado entrelazado es la presencia de correlaciones cuánticas entre sus componentes, los cuales hacen que las propiedades de aquél no puedan ser analizadas sólo en términos de las de estos últimos, lo cual indica la naturaleza “holística” de la realidad cuántica.
Reunidos miles de qubits, éstos podrían comunicarse entre sí y realizar cálculos que actualmente realizan los ordenadores normales pero todos al mismo tiempo, lo que aumentaría la velocidad de cálculo de manera exponencial.
Hasta ahora, estos ordenadores no han pasado aún del terreno de lo teórico.
La investigación actual, al aclarar aún más el funcionamiento de los estados cuánticos, da un paso adelante en su consecución.
"Crean el primer ordenador cuántico comercialmente viable"
Aunque es más lento que un ordenador doméstico,
puede resolver problemas sencillos
La empresa canadiense D-Wave Systems ha anunciado
el lanzamiento del primer ordenador cuántico que puede tener viabilidad comercial.
Es un prototipo hecho artesanalmente que es capaz
de resolver problemas sencillos.
Aunque todavía es más lento que un ordenador doméstico, según sus creadores es un gran paso hacia la “era de la computación cuántica”.
Dentro de poco cualquiera podrá comprobar su funcionamiento
a través de Internet.
Un nuevo prototipo con más capacidad verá la luz a finales de 2008,
pero no es seguro que pueda superar a los ordenadores actuales, de los
que se considera más un complemento que una alternativa.
Los bits de los ordenadores actuales oscilan constantemente entre el 0 y el 1 mientras llevan a cabo su trabajo.
La física cuántica permite a partículas, como un átomo, un electrón o un fotón, estar en dos sitios a la vez, lo que quiere decir que pueden representar el 1
y el 0 al mismo tiempo, permitiendo hacer cálculos mucho más complejos.
En la mayor parte de los prototipos de ordenadores cuánticos,
los investigadores “golpean” los átomos con láser,
o usan otros medios para provocar a las partículas en estados cuánticos
más borrosos.
Sin embargo, mediante una técnica llamada informática cuántica adiabática, enfrían circuitos en un estado de superconductividad, en el que los electrones fluyen libremente, llegando de esta manera al estado qubital.
El qubit es la unidad mínima de información cuántica, y se diferencia del bit clásico en que puede asumir el 1 y el 0, no únicamente el 1 ó 0.
Un estado qubital es, pues, la superposición cuántica de esos dos estados.
Prototipo artesanal
Lo que ha anunciado D-Wave es la construcción de un prototipo de 16 qubit hecho artesanalmente a partir del elemento químico niobio, cuya principal característica es precisamente su superconductividad.
Para la demostración, los operarios de D-Wave controlaron remotamente
el ordenador cuántico, situado en Burnaby, desde un ordenador
portátil que estaba en California.
Al ordenador cuántico le fueron dados tres problemas a resolver:
buscar estructuras moleculares que casaran con una determinada molécula, crear un complicado plan de asientos o rellenar un pasatiempo Sudoku.
Puesto a prueba
¿Cómo comprobarán los usuarios que efectivamente este prototipo de ordenador cuántico resuelve el problema mejor que
la mente humana o que un ordenador al uso?
La empresa reconoce que esta versión es más de lenta que un ordenador doméstico, pero adelanta que antes de final del año 2008 habrá una nueva versión de 1.000 qubit.
Los expertos aseguran, sin embargo, que sería necesario crear un ordenador
de miles de qubit para que pudieran resolver problemas que los ordenadores actuales no pueden resolver.
La cuestión planteada entonces es si el método adiábatico operaría tan rápidamente con miles de qubit.
Otro paso
Sin embargo, la “carrera” hacia el ordenador cuántico está abierta en muchos frentes. Paralelamente a este anuncio, científicos de los departamentos de Física Aplicada y Física de la universidad de Yale, han dado otro paso, según anunció en un comunicado la propia universidad.
Aumentando el tamaño de un átomo artificialmente (hasta ser casi visible por el ojo humano) y usando microondas como fuente de energía, esta investigación, dirigida por los profesores Robert Schoelkopf y Steven Girvin, ha creado un circuito electrónico que almacena y mide fotones de microondas.
En este proceso llevan el mecanismo cuántico a una escala mayor y esperan emplearla para crear nuevos dispositivos cuánticos.
(fuente:dilemasfisicos)
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