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 ahora han demostrado cuál es el límite de velocidad para operaciones cuánticas complejas. El estudio también involucró a científicos del MIT, eluniversidades de Hamburgo, Colonia y Padua, y el Centro de Investigación de Jülich. Los resultados son importantes para la realización de computadoras cuánticas, entre otras cosas.
Suponga 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 solo unos minutos antes de la medianoche. Corre de invitado en invitado a toda velocidad. Gracias a su técnica,perfeccionado durante muchos años de trabajo, sin embargo, se las arregla para no derramar ni una sola gota del precioso líquido.
Un pequeño truco le ayuda a hacer esto: mientras el camarero acelera sus pasos, inclina un poco la bandeja para que el champagne no se derrame de las copas. A mitad de camino de la mesa, la inclina en sentido contrario y frenaSolo cuando se ha detenido por completo, lo vuelve a sostener 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 lo tanto,Sea tan hábil como el camarero en Nochevieja. "Y aún así, hay un límite de velocidad que este transporte no puede superar", explica la Dra. 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 átomo de cesio como sustituto del champán y dos rayos láser perfectamente superpuestos pero dirigidos entre sí como una bandeja. Esta superposición, llamada interferencia por los físicos, crea unaOnda 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 en sí", 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".
El hecho de que existe 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. Ellos 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 rápido es. En el caso del transporte de un átomo, por ejemplo, más profundo es el valle en el que el cesioátomo está atrapado, cuanto 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 los vasos hasta la mitad ael 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 aumentar arbitrariamente. "No podemos hacer que nuestro valle sea infinitamente profundo; costaríademasiada energía ", subraya Alberti.
¡Transpórtame, 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 ylos destinos están muy cerca 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 vez, es decir, sin paradas intermedias -casi como la teletransportación en la nave espacial Enterprise de Star Trek ".
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 alcanzar su destino final:El sistema de dos niveles se convierte en un sistema de varios niveles. 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 intermediosestados. 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 la 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 agrupar 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 hace posiblehacer un uso óptimo de ella. "
El estudio fue financiado por la German Research Foundation DFG como parte del Collaborative Research Center SFB / TR 185 OSCAR. La financiación también fue proporcionada por la Reinhard Frank Foundation en colaboración con la German Technion Society y por el German Academic ExchangeServicio.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Bonn . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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