Un rompecabezas que se ponderó eran los rastros de las gotitas que dejan los electrones al pasar a través de las cámaras de niebla, un aparato utilizado para rastrear los movimientos de partículas cargadas. Cuando Heisenberg trató de cálcular estas aparentemente precisas trayectorias usando las ecuaciones de la mecánica cuántica, no lo consiguió.
Una noche de mediados de febrero, Bohr había dejado la ciudad en un viaje de esquí, y Heisenberg se había deslizado a tomar un poco de aire de la noche en las amplias avenidas de Fælled Parque, detrás del instituto. Mientras caminaba, se le ocurrió. El rastro de los electrones no era preciso en lo absoluto: si uno lo mira de cerca, consiste en una serie de puntos difusos. Eso reveló algo fundamental sobre la teoría cuántica. De vuelta en su ático, Heisenberg escribió con entusiasmo su idea en una carta a su colega el físico Wolfgang Pauli. Lo esencial de esto apareció en un documento unas pocas semanas más tarde: "Mientras más precisa la posición es determinada, menor precisión, en el momento se conoce en este instante, y viceversa."
Así el notorio principio de incertidumbre de Heisenberg había nacido. Una declaración de la incognoscibilidad fundamental del mundo cuántico, que se ha mantenido firme durante la mayor parte del siglo. Pero ¿por cuánto tiempo? Corren rumores de que un segundo principio cuántico – el entrelazamiento- puede sonar el tañido de muerte para la incertidumbre.
el principio de incertidumbre de Heisenberg representa uno de los pilares fundamentales de la mecánica cuántica por no decir el principal nuevos estudios señalan una estrecha relación entre este principio y otro principio de la mecánica cuántica el entrelazamiento cuántico.
¿Es el adiós a Heisenberg y la bienvenida a la certidumbre cuántica?.
Las profundas implicaciones del principio de incertidumbre son difíciles de exagerar. Piense en nuestro clásico sistema solar trabajando como un reloj.Teniendo en cuenta el conocimiento perfecto de las posiciones actuales y los movimientos de los planetas y otros cuerpos, podemos predecir su posición exacta y los movimientos en cualquier momento en el futuro con una precisión casi perfecta. En el mundo cuántico, sin embargo, la incertidumbre elimina cualquier idea de un conocimiento perfecto revelado por la medida (ver "La lógica difusa" al final del artículo). Su afirmación de que hay pares de cantidades "complementarias" tales como la posición y el momento, donde el conocimiento exacto de una se opone al conocimiento de la otra con toda precisión, también socava cualquier concepto de causa y efecto predecible. Si usted no puede conocer el presente en su totalidad, usted puede tener ni idea de lo que depararía el futuro.
Desde el invierno de Copenhague, las generaciones de físicos han puesto a prueba el principio de Heisenberg, a medida que hemos aprendido más acerca de los caprichos de las mediciones cuánticas y el intercambio de información cuántica. La versión ahora favorecida del principio fue construida en 1988 por dos físicos holandeses, Hans Maassenand y José Uffink (ver aquí), utilizando conceptos de la teoría de la información elaborada por el matemático estadounidense Claude Shannon y otros en los años posteriores a la Segunda Guerra Mundial.
Apretó la entropía.
Shannon había mostrado cómo una cantidad que él denominó entropía, por analogía con la medida del desorden termodinámico, proporcionaba un indicador confiable de la imprevisibilidad de la información, y así muy general de la incertidumbre. Por ejemplo, los resultados de lo más reciente en una serie de lanzamientos de moneda tienen la máxima entropía de Shannon, ya que te dicen nada sobre el resultado del siguiente lanzamiento. La información expresada en un lenguaje natural, tales como el Inglés, por el contrario, tienen baja entropía, ya que una serie de palabras proporcionan pistas sobre lo que seguirá.
Traduciéndo este conocimiento en el mundo cuántico, Maassen y Uffink mostraron cómo es posible reducir la entropía de Shannon asociada con cualquier cantidad cuántica medible a cero, y que cuanto más se apriete la entropía de una variable, mayor es el incremento de entropía de las otras . La información que un sistema cuántico da con una mano, la quita con la otra.
Pero es ese siempre el caso? No, de acuerdo con Mario Berta, un teórico de la información cuántica del Instituto Federal Suizo de Tecnología en Zurich, y sus colegas. El entrelazamiento cuántico puede tener un efecto claramente raro en la incertidumbre.
Supongamos que un observador llamado Bob crea un par de partículas, tales como fotones de luz, cuyos estados cuánticos de alguna manera están entrelazados. El entrelazamiento significa que a pesar de que estos estados no se definen hasta que se miden, la medición de uno le dará un valor determinado de inmediato precisándo el estado de la otra partícula.Esto ocurre incluso cuando la distancia entre las dos partículas es demasiado grande para que cualquier influencia viaje entre ellas sin romper el límite de velocidad establecido por la luz cósmica - el proceso que parecía imposible denunciado por Einstein como "acción fantasmal a distancia".
Bob envía uno de estos fotones entrelazados a un segundo observador, Alice, y mantiene el otro encerrado por él en un banco de memoria cuántica - una longitud adecuada de fibra óptica, por ejemplo. Alice entonces al azar mide un par de variables complementarias asociadas a los fotones: en este caso, polarizaciones en dos direcciones diferentes. Su medición se regirá por las reglas habituales de la incertidumbre cuántica, y tan sólo puede tener una precisión de un cierto límite. En términos de Maassen y Uffink, su entropía será distinta de cero. Alice le dice a Bob cuales de las cantidades ella midió, pero no el valor que obtuvo.
Ahora viene la afirmación central.El trabajo de Bob es el de averiguar el resultado de la medición de Alice con la mayor precisión posible. Eso es muy fácil: sólo necesita incursionar en su banco de memoria cuántica. Si los dos fotones están perfectamente entrelazados, el sólo necesita saber cuales cantidades Alice midió y medir él en su propio fotón para obtener un conocimiento perfecto del valor de la medición de Alice – mejor incluso de lo que Alice pueda conocerla. A lo largo de una serie de medidas, el incluso puede reducir su entropía asociada a cero.
El grupo de Berta publicó sus trabajos en julio del año pasado (ver aquí). Apenas unos meses después, dos equipos independientes, encabezados por Robert Prevedel de la Universidad de Waterloo, Ontario, Canadá, y Chuan-Feng Li, de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China en Hefei, realizaron las pruebas , resultándo que la incertidumbre puede ser reducida a niveles anteriormente inalcanzables simplemente tras incrementar el entrelazamiento (ver aquí y aquí ). "Los experimentos están en perfecto acuerdo con nuestra relación teóricamente derivada", dice Berta."Nos sorprendió lo rápido que los experimentos se hicieron realidad."
Las primeras reacciones han sido cautelosas. "Esta es una extensión muy bonita e importante de las relaciones de incertidumbre Maassen-Uffink", dice Paul Busch, un teórico cuántico en la Universidad de York, Reino Unido, quién no participó en ninguno de los equipos. Uffink en sí mismo, un investigador de la Universidad de Utrecht en los Países Bajos, está de acuerdo. "Es un trabajo admirable", dice, "pero existe un« pero »."
Ese "pero", Uffink dice, es que incluso si Bob está armado con la memoria y el entrelazamiento cuántico, los experimentos muestran que sólo le es posible predecir con exactitud el resultado de cualquiera de las dos mediciones posibles que Alice hace - no ambas al mismo tiempo.
La incertidumbre está muerta.
Para ambos Uffink y Busch, el experimento mental ideado por Berta y su equipo es una reminiscencia del famoso experimento mental "EPR" ideado en 1935 por Einstein y sus colegas Boris Podolsky y Nathan Rosen. El, también, llega a una conclusión similar: que el entrelazamiento podría eliminar toda la incertidumbre de una medición, pero no de ambas a la vez. De acuerdo con el escepticismo general de Einstein acerca de la rareza cuántica, él interpretó la tensión entre estos dos principios, como indicación de que la mecánica cuántica estaba incompleta, y que una realidad oculta que yace bajo el mundo cuántico era determinante en el resultado de los experimentos.
Mientras que el debate está ahora en gran medida considerado reiterado (ver aquí), el último trabajo abre una perspectiva totalmente nueva. Tradicionalmente, los debates sobre la validez del principio de incertidumbre y la interpretación del experimento EPR se han mantenido diferentes.Ahora hay otra posibilidad: que la incertidumbre no está muerta, sino que existe una relación entre la incertidumbre y el entrelazamiento que todavía no ha sido totalmente apreciada.
"Ellas son dos caras de una misma moneda", dijo Busch. Cuando dos partículas están perfectamente entrelazadas, la acción fantasmal a distancia es la que manda, y la incertidumbre es un principio menos estricto de lo que se había supuesto. Pero donde no hay entrelazamiento, la incertidumbre recurre a la relación Maassen-Uffink.La fuerza de la interpretación de Berta es que nos permite decir lo mucho que se puede saber con una escala móvil de situaciones en el medio, donde el entrelazamiento está presente pero menos que perfecto.Eso es de gran relevancia para la criptografía cuántica, la tecnología cuántica más cercana a la aplicación del mundo real, que se basa en el intercambio de partículas perfectamente entrelazadas. La relación significa que hay una manera más fácil de probar cuando ese entrelazamiento se ha alterado, por ejemplo por fisgones no deseados, simplemente mediante el control de la incertidumbre de medición.
En cuanto al duelo entre la incertidumbre y el entrelazamiento, el termina en empate, con los dos principios convertiéndose en los mejores amigos después del evento. "Debido a que son ahora parte integrante del mismo esquema matemático, no se puede escoger uno y decir que ese es lógicamente superior al otro, o al revés, porque todo está lógicamente relacionado de alguna manera", dijo Busch.
Pero, él dice - hay otro "pero" -, mientras que sea cierto dentro de los límites de la teoría cuántica, nosotros podríamos ser capaces de decir cuál es el principio más fuerte alejando la imagen y teniendo en cuenta un marco matemático más general que el de la teoría cuántica.
Un juego cuántico que Stephanie Wehner jugó, puede ayudar a explicar. Junto con Jonathan Oppenheim de la Universidad de Cambridge, Wehner, una investigadora de la Universidad Nacional de Singapur, jugó con los niños de 12 años de edad, en un café. Ella les dió un tablero con dos cuadrados , y entregó a un niño un zoológico de dos tigres y dos elefantes. El niño podría colocar un tigre en cada cuadro, un elefante en cada cuadro, o un tigre sobre uno y un elefante sobre el otro. Sin mirar, un segundo niño tenía que adivinar qué animal estaba en uno de los cuadros.
"Eso les hizo entender por qué no es posible ganar todo el tiempo", dice Wehner. Sin alguna ilícita participación o extracción de información, sólo podían esperar acierto en la mitad de las veces.
La importancia del juego es que expresa cuestiones de incertidumbre y de entrelazamiento en términos de recuperación de información. Adivinar un animal o un estado de fotones correctamente depende de la correlación entre la información ya almacenada y la información que se solicita. El entrelazamiento proporciona una manera de aumentar esa correlación - efectivamente, hacer trampa.
Larga vida a la incertidumbre.
Curiosamente, sin embargo, hasta la rara "no-localidad ", encarnada por el entrelazamiento no garantiza el éxito. Sin embargo, es posible prever las teorías que no rompan las leyes de la física - en particular, la estricta condición de que ninguna influencia debe viajar más rápido que la luz, establecida en la teoría especial de la relatividad de Einstein - y todavía le permiten estar en lo cierto al 100 por ciento del tiempo (ver aquí).¿Qué es lo que mantiene la teoría cuántica tan rara como es?
La respuesta de Oppenheim y Wehner, publicada en noviembre del año pasado, es desarmadamente simple: el principio de incertidumbre (ver aquí).
Es un giro satisfactorio para la historia. Dentro de los límites de la teoría cuántica, el entrelazamiento puede ayudar a romper la incertidumbre, lo que nos permite estar más seguros sobre el resultado de ciertos experimentos de lo que el principio de incertidumbre solo permitiría. En este nivel, el entrelazamiento alcanza triunfos. Pero aleja la pregunta de cómo los confines de la teoría cuántica se establecen, y parece que es el principio de incertidumbre el que para las cosas en el mundo cuántico siendo (ambos principios) más raros y más correlacionados de lo que ya son.Las normas de la incertidumbre, ponen al entrelazamiento en una camisa de fuerza. "Esto demuestra claramente que el principio de incertidumbre está lejos de estar muerto", dijo Busch.
Iwo Bialynicki-Birula, un físico que hizo el trabajo seminal de reformular el principio de incertidumbre en términos de la información en la década de 1970 (ver aquí) , escribió una vez que toda teoría física tiene una ecuación llamativa para adornar una camiseta. Así como la relatividad tiene su E = mc2, la mecánica cuántica tiene su relación de incertidumbre.
Lógica difusa.
En el documento de 1927 que introdujo el principio de incertidumbre para el mundo (ver aquí), Werner Heisenberg establece que hay pares de cantidades en el mundo cuántico que no pueden ser medidas a un nivel arbitrario de precisión, al mismo tiempo.
Tales pares son la posición y el momento - esencialmente en la medición del movimiento de una partícula cuántica. Si usted conoce la posición x de una partícula dentro de una cierta exactitud Δx, entonces la incertidumbre Δp en su momento p viene dada por la desigualdad matemática Δx. Δp ≥ ħ/2. Aquí, ħ es un número fijo de la naturaleza conocida como la constante reducida de Planck.
Esta desigualdad dice que, en conjunto, Δx y Δp no pueden socavar ħ / 2. Así pues, en general, cuanto más sabemos acerca de dónde está una partícula (el más pequeño Δx ), menos podemos saber donde está (el más grande Δp ), y viceversa.
El principio de incertidumbre también se aplica a otros pares de cantidades, como la energía y el tiempo, y los spines y polarizaciones de las partículas en varias direcciones. La relación de incertidumbre energía-tiempo es la razón por la cual las partículas cuánticas pueden salir de la nada y desaparecer otra vez.
Pruebas cuántica que no van a matar al gato de Schrödinger.
Puede pronto ser posible extraer información de un objeto cuántico - e incluso manipularlo - sin que ello implique la destrucción de su delicado estado cuántico. El resultado sería una bendición para la computación cuántica, la cual requiere el control sobre tales estados. También iría en contra de un experimento ideado por el físico Erwin Schrödinger: en principio, ahora es posible echar un vistazo dentro de su caja sin poner en peligro la vida precaria del minino en su interior.
Los estados que son mutuamente excluyentes en la física clásica pueden existir simultáneamente en el extraño mundo de la mecánica cuántica - una situación llamada superposición. Para ilustrar este efecto, Schrödinger imaginó poner un gato en una caja junto con un dispositivo que liberaría veneno para matarlo, en función de la desintegración al azar de un átomo radiactivo. Dado que el estado cuántico del átomo sólo tiene un valor determinado cuando alguien lo mira, el gato está a la vez vivo y muerto hasta que la caja se abre.
Las superposiciones son frágiles, sin embargo. las perturbaciones exteriores, incluidas las observaciones, tienden a destruir la "coherencia" de estos estados, obligando a que el sistema colapse en una de las posibilidades. Cuanto mayor sea el sistema, más difícil será para aislarlo de las influencias externas.
En el 2010, los físicos colocaron el sistema más grande aún en una superposición(ver aquí): una franja de 40 micras de largo de material piezoeléctrico, que se expandía y contraía en respuesta a las variaciones de tensión. Lo pusieron en una superposición de ambos mínima y más vigorosa oscilación, pero el método que utilizaron para observar el sistema provocó la pérdida de dicho estado dual.
Otro equipo propone ahora ir un paso más allá, poniendo un cable de aproximadamente el mismo tamaño en una superposición y ofreciéndo un esquema de observar, e incluso manipular, sin destruir el extraño estado cuántico. Kurt Jacobs de la Universidad de Massachusetts, en Boston, y su equipo describen su idea en un estudio que aparece en la revista Physical Review A(ver aquí).
El primer paso es poner el cable en una superposición en la que las vibraciones al mismo tiempo lo desplacen en la misma cantidad en direcciones opuestas, como una cuerda de guitarra sacudiéndose en dos direcciones a la vez. A continuación, una carga eléctrica se puede agregar al cable, creando un campo electromagnético que puede ser detectado por un sensor .
A pesar de que el sensor no puede localizar la posición de la carga - y por lo tanto del cable – el puede detectar en qué medida la carga está de una posición neutral. Eso revela algunos datos sobre el sistema – esencialmente proporciona una visión interior de la caja que contiene al gato de Schrödinger. La clave es que evita tener que abrir la caja completamente, lo cual destruiría la superposición, dice Jacobs: "Yo extraje información, pero de una manera que no se aprende demasiado."
Esquemas anteriores vislumbraron dentro de la caja involucrada destruyendo parcialmente la superposición y luego tratando de restaurarla. "En nuestro trabajo, lo crucial es que la medición no destruye la coherencia", dice Jacobs.
El equipo también se propone ajustar la tensión del cable para cambiar el tamaño de las vibraciones, un ajuste que no destruiría la frágil superposición.
La realización de este experimento está todavía unos pocos años en el futuro, el equipo dice - los sensores necesarios para hacer las mediciones más sutiles deben ser menos vulnerables a la interferencia de ruido. Si el experimento con el tiempo resulta en un éxito, sería un paso hacia la computación cuántica.
Las computadoras cuánticas, que aún no se han construido, serían capaces de hacer mucho más cálculos al mismo tiempo de lo que los ordenadores convencionales pueden. Su capacidades se derivan de la capacidad de los sistemas cuánticos de estar en más de un estado simultáneamente. Hacer tales equipos requiere ser capaz de leer y modificar el estado de los sistemas cuánticos, los procesos que el nuevo experimento se propone alcanzar. "Esta propuesta podría ser muy útil," dice Aephraim Steinberg de la Universidad de Toronto en Canadá.
Teletransporte del gato de Schrödinger.
La observación de un objeto en más de un estado cuántico de una vez - en una superposición - sigue siendo un objetivo difícil de alcanzar pero teletransportar un objeto así, es ahora anticuado. Noriyuki Lee de la Universidad de Tokio, Japón, y sus colegas han logrado hacer que la luz en una superposición de estados se desvanezca en un lugar y reaparezca en otro.
Se aprovecharon del entrelazamiento, una propiedad cuántica, que crea una conexión fantasmal entre objetos separados que actúa incluso a distancia. Ellos entrelazaron dos rayos de luz, por lo que la medición de uno afectó al resultado de la medición del otro.Después de mezclar uno de los rayos entrelazados con pulsos de luz en una superposición de muchos estados cuánticos, fueron capaces de recrear la superposición en el segundo haz entrelazado (ver aquí).
"Esto demuestra que la manipulación controlada de los objetos cuánticos ... ha alcanzado los objetivos que parecían imposibles hace apenas unos años", dice Philippe Grangier en el Instituto de Óptica en Palaiseau, Francia.
fuente de la información:
http://www.newscientist.com/article/mg21028101.700-uncertainty-entangled-the-limits-of-quantum-weirdness.html
Esta desigualdad dice que, en conjunto, Δx y Δp no pueden socavar ħ / 2. Así pues, en general, cuanto más sabemos acerca de dónde está una partícula (el más pequeño Δx ), menos podemos saber donde está (el más grande Δp ), y viceversa.
El principio de incertidumbre también se aplica a otros pares de cantidades, como la energía y el tiempo, y los spines y polarizaciones de las partículas en varias direcciones. La relación de incertidumbre energía-tiempo es la razón por la cual las partículas cuánticas pueden salir de la nada y desaparecer otra vez.
Pruebas cuántica que no van a matar al gato de Schrödinger.
Puede pronto ser posible extraer información de un objeto cuántico - e incluso manipularlo - sin que ello implique la destrucción de su delicado estado cuántico. El resultado sería una bendición para la computación cuántica, la cual requiere el control sobre tales estados. También iría en contra de un experimento ideado por el físico Erwin Schrödinger: en principio, ahora es posible echar un vistazo dentro de su caja sin poner en peligro la vida precaria del minino en su interior.
Los estados que son mutuamente excluyentes en la física clásica pueden existir simultáneamente en el extraño mundo de la mecánica cuántica - una situación llamada superposición. Para ilustrar este efecto, Schrödinger imaginó poner un gato en una caja junto con un dispositivo que liberaría veneno para matarlo, en función de la desintegración al azar de un átomo radiactivo. Dado que el estado cuántico del átomo sólo tiene un valor determinado cuando alguien lo mira, el gato está a la vez vivo y muerto hasta que la caja se abre.
Las superposiciones son frágiles, sin embargo. las perturbaciones exteriores, incluidas las observaciones, tienden a destruir la "coherencia" de estos estados, obligando a que el sistema colapse en una de las posibilidades. Cuanto mayor sea el sistema, más difícil será para aislarlo de las influencias externas.
En el 2010, los físicos colocaron el sistema más grande aún en una superposición(ver aquí): una franja de 40 micras de largo de material piezoeléctrico, que se expandía y contraía en respuesta a las variaciones de tensión. Lo pusieron en una superposición de ambos mínima y más vigorosa oscilación, pero el método que utilizaron para observar el sistema provocó la pérdida de dicho estado dual.
Otro equipo propone ahora ir un paso más allá, poniendo un cable de aproximadamente el mismo tamaño en una superposición y ofreciéndo un esquema de observar, e incluso manipular, sin destruir el extraño estado cuántico. Kurt Jacobs de la Universidad de Massachusetts, en Boston, y su equipo describen su idea en un estudio que aparece en la revista Physical Review A(ver aquí).
El primer paso es poner el cable en una superposición en la que las vibraciones al mismo tiempo lo desplacen en la misma cantidad en direcciones opuestas, como una cuerda de guitarra sacudiéndose en dos direcciones a la vez. A continuación, una carga eléctrica se puede agregar al cable, creando un campo electromagnético que puede ser detectado por un sensor .
A pesar de que el sensor no puede localizar la posición de la carga - y por lo tanto del cable – el puede detectar en qué medida la carga está de una posición neutral. Eso revela algunos datos sobre el sistema – esencialmente proporciona una visión interior de la caja que contiene al gato de Schrödinger. La clave es que evita tener que abrir la caja completamente, lo cual destruiría la superposición, dice Jacobs: "Yo extraje información, pero de una manera que no se aprende demasiado."
Esquemas anteriores vislumbraron dentro de la caja involucrada destruyendo parcialmente la superposición y luego tratando de restaurarla. "En nuestro trabajo, lo crucial es que la medición no destruye la coherencia", dice Jacobs.
El equipo también se propone ajustar la tensión del cable para cambiar el tamaño de las vibraciones, un ajuste que no destruiría la frágil superposición.
La realización de este experimento está todavía unos pocos años en el futuro, el equipo dice - los sensores necesarios para hacer las mediciones más sutiles deben ser menos vulnerables a la interferencia de ruido. Si el experimento con el tiempo resulta en un éxito, sería un paso hacia la computación cuántica.
Las computadoras cuánticas, que aún no se han construido, serían capaces de hacer mucho más cálculos al mismo tiempo de lo que los ordenadores convencionales pueden. Su capacidades se derivan de la capacidad de los sistemas cuánticos de estar en más de un estado simultáneamente. Hacer tales equipos requiere ser capaz de leer y modificar el estado de los sistemas cuánticos, los procesos que el nuevo experimento se propone alcanzar. "Esta propuesta podría ser muy útil," dice Aephraim Steinberg de la Universidad de Toronto en Canadá.
Teletransporte del gato de Schrödinger.
La observación de un objeto en más de un estado cuántico de una vez - en una superposición - sigue siendo un objetivo difícil de alcanzar pero teletransportar un objeto así, es ahora anticuado. Noriyuki Lee de la Universidad de Tokio, Japón, y sus colegas han logrado hacer que la luz en una superposición de estados se desvanezca en un lugar y reaparezca en otro.
Se aprovecharon del entrelazamiento, una propiedad cuántica, que crea una conexión fantasmal entre objetos separados que actúa incluso a distancia. Ellos entrelazaron dos rayos de luz, por lo que la medición de uno afectó al resultado de la medición del otro.Después de mezclar uno de los rayos entrelazados con pulsos de luz en una superposición de muchos estados cuánticos, fueron capaces de recrear la superposición en el segundo haz entrelazado (ver aquí).
"Esto demuestra que la manipulación controlada de los objetos cuánticos ... ha alcanzado los objetivos que parecían imposibles hace apenas unos años", dice Philippe Grangier en el Instituto de Óptica en Palaiseau, Francia.
fuente de la información:
http://www.newscientist.com/article/mg21028101.700-uncertainty-entangled-the-limits-of-quantum-weirdness.html
