Más Allá: Un Físico Dijo Cómo Sortear Las Leyes De La Mecánica Cuántica - Vista Alternativa

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Más Allá: Un Físico Dijo Cómo Sortear Las Leyes De La Mecánica Cuántica - Vista Alternativa
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Anonim

El profesor de física en el Instituto Niels Bohr de Copenhague, uno de los pioneros de la teletransportación cuántica, Eugene Polzik, explicó a RIA Novosti dónde está la frontera entre los mundos "real" y "cuántico", por qué una persona no puede ser teletransportada y cómo logró crear materia con "masa negativa".

Hace cinco años, su equipo implementó por primera vez un experimento para teletransportar no un solo átomo o partícula de luz, sino un objeto macroscópico.

Recientemente presidió el consejo asesor internacional del Russian Quantum Center (RQC), en sustitución de Mikhail Lukin, el creador de una de las computadoras cuánticas más grandes del mundo y líder mundial en computación cuántica. Según el profesor Polzik, se centrará en desarrollar y realizar el potencial intelectual de los jóvenes científicos rusos y fortalecer la participación internacional en el trabajo de la RCC.

“Eugene, ¿podrá la humanidad teletransportar más que partículas individuales o una colección de átomos u otros objetos macroscópicos?

norte

- No tienes idea de la frecuencia con la que me hacen esta pregunta. Gracias por no preguntarme si es posible teletransportar a una persona. En términos muy generales, la situación es la siguiente.

El universo es un objeto gigantesco, enredado a nivel cuántico. El problema es que no podemos "ver" todos los grados de libertad de este objeto. Si tomamos un objeto grande en tal sistema y tratamos de considerarlo, entonces las interacciones de este objeto con otras partes del mundo darán lugar a lo que se llama un "estado mixto" en el que no hay entrelazamiento.

El llamado principio de monogamia opera en el mundo cuántico. Se expresa en el hecho de que si tenemos dos objetos idealmente entrelazados, ambos no pueden tener las mismas fuertes "conexiones invisibles" con cualquier otro objeto del mundo circundante, como entre sí.

Eugene Polzik, profesor del Instituto Niels Bohr de Copenhague y director del consejo asesor internacional de la RCC. Foto: RCC
Eugene Polzik, profesor del Instituto Niels Bohr de Copenhague y director del consejo asesor internacional de la RCC. Foto: RCC

Eugene Polzik, profesor del Instituto Niels Bohr de Copenhague y director del consejo asesor internacional de la RCC. Foto: RCC.

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Volviendo a la cuestión de la teletransportación cuántica, esto quiere decir que, en principio, nada nos impide confundir y teletransportar un objeto del tamaño de al menos todo el Universo, pero en la práctica nos impedirá ver todas estas conexiones al mismo tiempo. Por lo tanto, tenemos que aislar los objetos macro del resto del mundo cuando realizamos tales experimentos y permitirles interactuar solo con los objetos "necesarios".

Por ejemplo, en nuestros experimentos fue posible lograr esto para una nube que contenía un billón de átomos, debido al hecho de que estaban en el vacío y retenidos en una trampa especial que los aislaba del mundo exterior. Estas cámaras, por cierto, se desarrollaron en Rusia, en el laboratorio de Mikhail Balabas en la Universidad Estatal de San Petersburgo.

Posteriormente pasamos a experimentos con objetos más grandes que se pueden ver a simple vista. Y ahora estamos realizando un experimento sobre la teletransportación de vibraciones que surgen en membranas delgadas hechas de materiales dieléctricos que miden milímetro a milímetro.

Ahora, por otro lado, personalmente estoy más interesado en otras áreas de la física cuántica, en las que, me parece, se producirán avances reales en un futuro próximo. Definitivamente sorprenderán a todos.

¿Donde exactamente?

- Todos sabemos bien que la mecánica cuántica no nos permite saber todo lo que sucede en el mundo que nos rodea. Debido al principio de incertidumbre de Heisenberg, no podemos medir simultáneamente todas las propiedades de los objetos con la mayor precisión posible. Y en este caso, la teletransportación se convierte en una herramienta que nos permite sortear esta limitación, transfiriendo no información parcial sobre el estado del objeto, sino todo el objeto en sí.

Las mismas leyes del mundo cuántico nos impiden medir con precisión la trayectoria de movimiento de átomos, electrones y otras partículas, ya que es posible averiguar la velocidad exacta de su movimiento o su posición. En la práctica, esto significa que la precisión de todo tipo de sensores de presión, movimiento y aceleración está estrictamente limitada por la mecánica cuántica.

Recientemente, nos dimos cuenta de que este no es siempre el caso: todo depende de lo que entendamos por "velocidad" y "posición". Por ejemplo, si durante tales mediciones no utilizamos sistemas de coordenadas clásicos, sino sus contrapartes cuánticas, estos problemas desaparecerán.

En otras palabras, en el sistema clásico, estamos tratando de determinar la posición de una partícula en particular en relación, en términos generales, con una mesa, silla o algún otro punto de referencia. En un sistema de coordenadas cuánticas, el cero será otro objeto cuántico con el que interactúe el sistema que nos interesa.

Resultó que la mecánica cuántica permite medir ambos parámetros, tanto la velocidad de movimiento como la trayectoria, con una precisión infinitamente alta para una cierta combinación de propiedades del punto de referencia. ¿Qué es esta combinación? Una nube de átomos que actúa como cero del sistema de coordenadas cuánticas debe tener una masa negativa efectiva.

De hecho, por supuesto, estos átomos no tienen "problemas de peso", pero se comportan como si tuvieran masa negativa, debido a que están ubicados de manera especial entre sí y se encuentran dentro de un campo magnético especial. En nuestro caso, esto lleva al hecho de que la aceleración de la partícula disminuye, pero no aumenta su energía, lo cual es absurdo desde el punto de vista de la física nuclear clásica.

Esto nos ayuda a deshacernos de los cambios aleatorios en la posición de las partículas o su velocidad de movimiento que ocurren cuando medimos sus propiedades usando láseres u otras fuentes de fotones. Si colocamos una nube de átomos con "masa negativa" en el camino de este rayo, entonces primero interactuará con ellos, luego volará a través del objeto en estudio, estas perturbaciones aleatorias se eliminan entre sí y podremos medir todos los parámetros con una precisión infinitamente alta.

Todo esto está lejos de la teoría: hace unos meses ya probamos estas ideas de manera experimental y publicamos el resultado en la revista Nature.

¿Hay usos prácticos para esto?

- Hace un año, ya dije, hablando en Moscú, que se puede utilizar un principio similar de "eliminar" la incertidumbre cuántica para mejorar la precisión del trabajo de LIGO y otros observatorios gravitacionales.

Entonces era solo una idea, pero ahora ha comenzado a tomar forma. Estamos trabajando en su implementación junto con uno de los pioneros de las mediciones cuánticas y participante en el proyecto LIGO, el profesor Farid Khalili de RCC y la Universidad Estatal de Moscú.

Por supuesto, no estamos hablando de instalar un sistema de este tipo en el detector en sí; este es un proceso muy complejo y largo, y LIGO tiene planes en los que simplemente no podemos encajar. Por otro lado, ya están interesados en nuestras ideas y están dispuestos a escucharnos más.

En cualquier caso, primero debe crear un prototipo funcional de dicha instalación, que mostrará que realmente podemos traspasar el límite en la precisión de medición impuesta por el principio de incertidumbre de Heisenberg y otras leyes del mundo cuántico.

Realizaremos los primeros experimentos de este tipo en un interferómetro de diez metros en Hannover, una copia más pequeña de LIGO. Ahora estamos ensamblando todos los componentes necesarios para este sistema, incluido un soporte, fuentes de luz y una nube de átomos. Si lo logramos, estoy seguro de que nuestros colegas estadounidenses nos escucharán; todavía no hay otras formas de sortear el límite cuántico.

¿Considerarán los defensores de las teorías cuánticas deterministas, que creen que las posibilidades no existen en el mundo cuántico, tales experimentos como prueba de la exactitud de sus ideas?

- Para ser honesto, no sé qué piensan al respecto. El año que viene estamos organizando una conferencia en Copenhague sobre los límites entre la física clásica y cuántica y cuestiones filosóficas similares, y pueden asistir si quieren presentar su visión de este problema.

Yo mismo me adhiero a la interpretación clásica de Copenhague de la mecánica cuántica, y admito que las funciones de onda no están limitadas en tamaño. Hasta ahora, no vemos ninguna señal de que sus disposiciones estén siendo violadas en alguna parte o que estén en desacuerdo con la práctica.

Laboratorio de Óptica Cuántica en el Centro Cuántico Ruso. Foto: RCC
Laboratorio de Óptica Cuántica en el Centro Cuántico Ruso. Foto: RCC

Laboratorio de Óptica Cuántica en el Centro Cuántico Ruso. Foto: RCC.

En los últimos años, los físicos han realizado innumerables pruebas de las desigualdades de Bell y la paradoja de Einstein-Podolski-Rosen, que descartan por completo la posibilidad de que el comportamiento de los objetos a nivel cuántico pueda ser controlado por algunas variables ocultas u otras cosas fuera del alcance de la teoría cuántica clásica.

Por ejemplo, hace unos meses hubo otro experimento que cerró todos los "huecos" posibles en las ecuaciones de Bell utilizadas por los defensores de la teoría de las variables ocultas. Todo lo que nos queda es, parafraseando a Niels Bohr y Richard Feynman, "cállate y experimenta": me parece que solo deberíamos hacernos aquellas preguntas que puedan responderse mediante experimentos.

Si volvemos a la teletransportación cuántica, dados los problemas que describió, ¿encontrará aplicación en computadoras cuánticas, satélites de comunicación y otros sistemas?

- Estoy seguro de que las tecnologías cuánticas penetrarán cada vez más en los sistemas de comunicación y entrarán rápidamente en nuestra vida diaria. Todavía no está claro cómo exactamente: la información, por ejemplo, se puede transmitir tanto a través de la teletransportación como a través de líneas de fibra óptica ordinarias utilizando sistemas de distribución de claves cuánticas.

La memoria cuántica, a su vez, creo, también se convertirá en una realidad después de un tiempo. Como mínimo, será necesario crear repetidores para señales y sistemas cuánticos. Por otro lado, es difícil predecir cómo y cuándo se implementará todo esto.

Tarde o temprano, la teletransportación cuántica no se volverá exótica, sino algo cotidiano que todos pueden usar. Por supuesto, es poco probable que veamos este proceso, pero los resultados de su trabajo, incluidas las redes seguras de transmisión de datos y los sistemas de comunicación por satélite, jugarán un papel muy importante en nuestras vidas.

¿Hasta dónde penetrarán las tecnologías cuánticas en otras esferas de la ciencia y la vida que no se relacionan con las TI o la física?

- Ésta es una buena pregunta, que es aún más difícil de responder. Cuando aparecieron los primeros transistores, muchos científicos creían que solo encontrarían uso en audífonos. Esto es lo que sucedió, aunque ahora solo una proporción muy pequeña de dispositivos semiconductores se utilizan de esta manera.

Sin embargo, me parece que se producirá un gran avance cuántico, pero no en todas partes. Por ejemplo, cualquier aparato y dispositivo que interactúe con el entorno y de alguna manera mida sus propiedades llegará inevitablemente al límite cuántico, que ya hemos comentado. Y nuestras tecnologías les ayudarán a superar este límite, o al menos a minimizar la interferencia.

Además, ya hemos resuelto uno de estos problemas utilizando el mismo enfoque de "masa negativa", mejorando los sensores de campo magnético cuántico. Dichos dispositivos pueden encontrar aplicaciones biomédicas muy específicas: pueden usarse para monitorear el trabajo del corazón y el cerebro, evaluando las posibilidades de sufrir un ataque cardíaco y otros problemas.

Mis colegas de la RCC están haciendo algo similar. Ahora estamos discutiendo juntos lo que hemos logrado, tratando de combinar nuestros enfoques y obtener algo más interesante.

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