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Los físicos muestran que un límite de velocidad también se aplica en el mundo cuántico


El estudio de la Universidad de Bonn determina el tiempo mínimo para operaciones cuánticas complejas.

Incluso en el mundo de las partículas más pequeñas con sus propias reglas especiales, las cosas no pueden avanzar infinitamente rápido. Los físicos de la Universidad de Bonn han demostrado cuál es el límite de velocidad para operaciones cuánticas complejas. El estudio también involucró a científicos de CON, las universidades de Hamburgo, Colonia y Padua, y el Centro de Investigación Jülich. Los resultados son importantes para la realización de computadoras cuánticas, entre otras cosas. Se publican en la prestigiosa revista Physical Review X y están cubiertos por la revista Physics de la American Physical Society.

Supongamos que observa a un camarero (el encierro ya es historia) que en la víspera de Año Nuevo tiene que servir una bandeja completa de copas de champán unos minutos antes de la medianoche. Corre de un invitado a otro a toda velocidad. Gracias a su técnica, perfeccionada a lo largo de muchos años de trabajo, consigue sin embargo no derramar ni una sola gota del preciado líquido.

Un pequeño truco le ayuda a hacer esto: mientras el camarero acelera sus pasos, inclina un poco la bandeja para que el champán no se derrame de las copas. A medio camino de la mesa, la inclina en la dirección opuesta y reduce la velocidad. Sólo cuando se ha detenido por completo, vuelve a mantenerlo en posición vertical.

Los átomos son en cierto modo similares al champán. Pueden describirse como ondas de materia, que no se comportan como una bola de billar sino más bien como un líquido. Cualquiera que quiera transportar átomos de un lugar a otro lo más rápido posible debe, por tanto, ser tan hábil como el camarero en Nochevieja. “E incluso entonces, existe un límite de velocidad que este transporte no puede superar”, explica el Dr. Andrea Alberti, quien dirigió este estudio en el Instituto de Física Aplicada de la Universidad de Bonn.

Átomo de cesio como sustituto del champán

En su estudio, los investigadores investigaron experimentalmente dónde se encuentra exactamente este límite. Usaron un cesio átomo como sustituto del champán y dos rayos láser perfectamente superpuestos pero dirigidos entre sí a modo de bandeja. Esta superposición, llamada interferencia por los físicos, crea una onda de luz estacionaria: una secuencia de montañas y valles que inicialmente no se mueven. “Cargamos el átomo en uno de estos valles y luego pusimos la onda estacionaria en movimiento, esto desplazó la posición del valle mismo”, dice Alberti. “Nuestro objetivo era llevar el átomo a la ubicación de destino en el menor tiempo posible sin que se derrame fuera del valle, por así decirlo”.

Rayos láser de física aplicada Universidad de Bonn

El primer autor Manolo Rivera Lam (izquierda) y el investigador principal Dr. Andrea Alberti (derecha) en el Instituto de Física Aplicada de la Universidad de Bonn. Crédito: © Volker Lannert / Uni Bonn

El hecho de que haya un límite de velocidad en el microcosmos ya fue demostrado teóricamente por dos físicos soviéticos, Leonid Mandelstam e Igor Tamm, hace más de 60 años. Demostraron que la velocidad máxima de un proceso cuántico depende de la incertidumbre energética, es decir, qué tan “libre” es la partícula manipulada con respecto a sus posibles estados energéticos: cuanta más libertad energética tiene, más rápida es. En el caso del transporte de un átomo, por ejemplo, cuanto más profundo es el valle en el que está atrapado el átomo de cesio, más dispersas están las energías de los estados cuánticos en el valle y, en última instancia, más rápido se puede transportar el átomo. Algo similar se puede ver en el ejemplo del camarero: si solo llena las copas hasta la mitad (para disgusto de los invitados), corre menos riesgo de que el champán se derrame a medida que acelera y desacelera. Sin embargo, la libertad energética de una partícula no se puede incrementar arbitrariamente. “No podemos hacer que nuestro valle sea infinitamente profundo, nos costaría demasiada energía”, subraya Alberti.

¡Beam Me Up Scotty!

El límite de velocidad de Mandelstam y Tamm es un límite fundamental. Sin embargo, solo se puede alcanzar en determinadas circunstancias, es decir, en sistemas con solo dos estados cuánticos. “En nuestro caso, por ejemplo, esto sucede cuando el punto de origen y destino están muy cerca el uno del otro”, explica el físico. “Entonces, las ondas de materia del átomo en ambos lugares se superponen, y el átomo podría ser transportado directamente a su destino de una sola vez, es decir, sin paradas intermedias, casi como la teletransportación en la nave espacial Enterprise de Star Trek”.

Investigadores del mundo cuántico de límite de velocidad

En el vestíbulo del Instituto de Física Aplicada de la Universidad de Bonn (de izquierda a derecha): Thorsten Groh, Manolo Rivera Lam, Prof.Dr. Dieter Meschede y Dr. Andrea Alberti (todos a distancia por razones de seguridad de la corona). Crédito: © Volker Lannert / Uni Bonn

Sin embargo, la situación es diferente cuando la distancia crece a varias docenas de anchos de onda de materia como en el experimento de Bonn. Para estas distancias, la teletransportación directa es imposible. En cambio, la partícula debe pasar por varios estados intermedios para llegar a su destino final: el sistema de dos niveles se convierte en un sistema de niveles múltiples. El estudio muestra que se aplica un límite de velocidad más bajo a tales procesos que el predicho por los dos físicos soviéticos: está determinado no solo por la incertidumbre energética, sino también por el número de estados intermedios. De esta manera, el trabajo mejora la comprensión teórica de los procesos cuánticos complejos y sus limitaciones.

Los hallazgos de los físicos son importantes sobre todo para computación cuántica. Los cálculos que son posibles con las computadoras cuánticas se basan principalmente en la manipulación de sistemas multinivel. Sin embargo, los estados cuánticos son muy frágiles. Duran solo un breve lapso de tiempo, que los físicos llaman tiempo de coherencia. Por lo tanto, es importante empaquetar tantas operaciones computacionales como sea posible en este tiempo. “Nuestro estudio revela el número máximo de operaciones que podemos realizar en el tiempo de coherencia”, explica Alberti. “Esto permite hacer un uso óptimo de la misma”.

Referencia: “Demostración de braquistocronas cuánticas entre estados distantes de un átomo” por Manolo R. Lam, Natalie Peter, Thorsten Groh, Wolfgang Alt, Carsten Robens, Dieter Meschede, Antonio Negretti, Simone Montangero, Tommaso Calarco y Andrea Alberti, 19 de febrero de 2021 , Revisión física X.
DOI: 10.1103 / PhysRevX.11.011035

El estudio fue financiado por la German Research Foundation (DFG) como parte del Collaborative Research Center SFB / TR 185 OSCAR. Los fondos también fueron proporcionados por la Fundación Reinhard Frank en colaboración con la Sociedad Técnica Alemana y por el Servicio de Intercambio Académico Alemán.



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