Probablemente hayas escuchado sobre el gato de Schrödinger, que está atrapado en una caja con un mecanismo de muerte que se activa si un átomo radiactivo se descompone, liberando radiación. El acto de mirar en la caja colapsa la función de onda del átomo: la matemáticadescripción de su estado: desde una "superposición" de estados hasta un estado definido, que mata al gato o lo deja vivir para ver otro día.
¿Pero sabías que si miras con frecuencia en la caja del gato, miles de veces por segundo, puedes retrasar la elección fatídica o, por el contrario, acelerarla? El retraso se conoce como el efecto cuántico Zeno y la aceleracióncomo el efecto cuántico anti-Zenón.
El efecto cuántico de Zeno fue nombrado por analogía con la paradoja de la flecha concebida por el filósofo griego Zeno: en cualquier instante dado, una flecha en vuelo no se mueve; ¿cómo puede moverse? De manera similar, si un átomo pudiera medirse continuamentepara ver si aún está en su estado inicial, siempre se encontrará en ese estado.
Tanto el Zeno como los efectos anti-Zeno son reales y suceden a los átomos reales. Pero, ¿cómo funciona esto? ¿Cómo puede la medición retrasar o acelerar la descomposición del átomo radiactivo? ¿Qué es la "medición" de todos modos?
La respuesta del físico es que para obtener información sobre un sistema cuántico, el sistema debe estar fuertemente acoplado al entorno durante un breve período de tiempo. Por lo tanto, el objetivo de la medición es obtener información, pero el fuerte acoplamiento al entornosignifica que el acto de medición también perturba necesariamente el sistema cuántico.
¿Pero qué pasaría si el sistema se alterara pero no se pasara información al mundo exterior? ¿Qué pasaría entonces? ¿El átomo aún exhibiría los efectos Zeno y anti-Zeno?
El grupo de Kater Murch en la Universidad de Washington en St. Louis ha estado explorando estas preguntas con un átomo artificial llamado qubit. Para probar el papel de la medición en los efectos de Zenón, idearon un nuevo tipo de interacción de medición que perturba el átomo pero aprendenada sobre su estado, que ellos llaman una "cuasimensión"
Informan en la edición del 14 de junio de 2017 de Cartas de revisión física que las cuasimensiones, como las mediciones, causan efectos Zenón. Potencialmente, la nueva comprensión de la naturaleza de la medición en la mecánica cuántica podría conducir a nuevas formas de controlar los sistemas cuánticos.
El problema
El efecto cuántico Zeno fue propuesto por primera vez como un experimento mental por el matemático británico Alan Turing en 1958, aunque no se describió rigurosamente hasta 1977 ni se observó en el laboratorio hasta 1989.
La explicación original para el efecto Zenón fue que la medición de un átomo en su estado excitado lo colapsa nuevamente en su estado excitado, restableciendo el reloj de su proceso de descomposición. Por lo tanto, si un átomo se mide con la frecuencia suficiente, nunca se descompondrá en unestado de energía más bajo, pero en su lugar permanece 'congelado' en su estado excitado
El efecto opuesto, en el que la medición frecuente acelera la descomposición, no se formuló hasta 1997. Pero este efecto anti-Zenón es en realidad mucho más común en la naturaleza. Las mediciones frecuentes de un núcleo atómico radiactivo o una molécula excitada, por ejemplo, aceleranla emisión de radiación o luz
Mientras tanto, ha surgido otra explicación para el efecto. "Las tasas de desintegración atómica dependen de la densidad de los posibles estados de energía, o modos electromagnéticos, en una energía dada", dijo Murch. "Para que el átomo se desintegra,debe emitir un fotón en uno de estos modos. Más modos significa más formas de descomposición y, por lo tanto, una disminución más rápida ".
La medición perturba los niveles de energía del átomo, y esta perturbación cambia los niveles de energía de tal manera que hay menos modos electromagnéticos en la energía apropiada, lo que lleva al efecto Zeno, o más modos en la energía apropiada, lo que lleva aefecto anti-Zenón.
"Lo que destaca de esta explicación," Murch sajd ", es que es la perturbación y no el colapso lo que conduce a los efectos de Zenón.
"La medición se trata de obtener información sobre un sistema, pero la medición implica invariablemente perturbaciones", dijo Murch. "Por lo tanto, la medición significa información obtenida y perturbación acción inversa".
Los experimentos
El grupo de Murch, incluidos los estudiantes de posgrado Patrick Harrington y Jonathan Monroe, construyeron experimentos para provocar los efectos de Zenón y definir los roles de la información y las perturbaciones en su creación.
Utilizaron un baño térmico de fotones centrados en una energía específica para disminuir o aumentar la densidad de estados electromagnéticos disponibles para su átomo artificial. Luego utilizaron mediciones estándar para verificar el estado del átomo una vez cada microsegundo.
Cuando el baño térmico de fotones estaba centrado en la misma energía que la energía de transición del átomo, la perturbación de la medición redujo el número promedio de modos electromagnéticos en la energía de transición, disminuyendo la descomposición. Cuando el baño térmico de fotones estaba centradoEn una energía diferente de la energía de transición del átomo, las mediciones aumentaron el número de modos electromagnéticos disponibles para el átomo, acelerando la descomposición.
"Estas mediciones constituyen la primera observación de los dos efectos Zenón en un solo sistema cuántico", dijo Murch.
Para estudiar el papel de la información en los efectos de Zenón, los físicos recurrieron a la "cuasimensión", el nuevo tipo de interacción de medición que solo perturba.
¿Las cuasimensiones también causarían los efectos Zenón? "De acuerdo con la concepción original del efecto Zenón, no deberían, porque no hay colapso de vuelta al estado excitado. Pero la explicación de los efectos que invoca la densidad de los estados disponibles predice queaún debe ocurrir ", dijo Murch.
"Para ser honesto, no estábamos completamente seguros de lo que encontraríamos. Pero días de tomar datos concluyentes mostraron que las cuasimensiones causaron los efectos de Zenón de la misma manera que las mediciones habituales. Esto significa que realmente es la alteración de la medicióny no el colapso de la función de onda que conduce a estos efectos "
¿Qué significa esto para el gato de Schrödinger? "El efecto Zeno dice que si revisamos al gato, reiniciamos el reloj de descomposición del átomo, manteniendo al gato vivo", dijo Harrington. "Desafortunadamente para el gato, los controles frecuentes también podrían acelerarla descomposición del átomo, matando al gato más rápidamente ". En otras palabras, el gato está sujeto a los efectos Zenón.
"El giro, sin embargo, es que debido a que los efectos de Zenón tienen que ver con perturbaciones y no con información", dijo Harrington, "ni siquiera es necesario mirar dentro de la caja para provocarlos. Los mismos efectos ocurrirán si ustedsolo agite la caja "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Washington en St. Louis . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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