SOBRE FÍSICA CUÁNTICA Y OTRAS DOS COSAS MÁS… Cristhian Camilo Pinzón Cárdenas - 02262073 Universidad Nacional de Colombia Facultad de Física Bogotá D.C Junio 2013
La naturaleza a escala subatómica se comporta de manera diferente a cualquier cosa que nuestra experiencia en el mundo macroscópico nos haya presentado o nos hubiera hecho creer que era el comportamiento universal de las cosas. La mecánica cuántica es la rama de la física que se comprometió con la tarea de manejar las cuestiones de las partículas elementales tales como los electrones y los fotones, y es paradójico, radicalmente anti intuitivo y extraño. A su vez, estas partículas llamadas elementales o fundamentales (a causa de que son de lo más pequeño que se ha encontrado en la naturaleza y que la interacción entre estas conforma el constitutivo de la materia como la conocemos), se definen por ciertas características que son intrínsecas para todos los sistemas del mismo tipo. De esta forma, todos los electrones tienen la misma masa y la misma carga eléctrica. Pero además de esas propiedades tan universales, a los electrones se le atribuyen cantidades (posición, velocidad…) que pueden variar de una a otra. El conjunto de esas características constituye en lo que en la física se llama el “estado” de la partícula.
Como ya se había dicho anteriormente, esta física se presento al principio como un certero derechazo en la cara con respecto a lo que se creía saber del comportamiento, origen y demás temas en dudas del universo y en la forma en que se trataban hasta los inicios del siglo XX, por que tenia variaciones un tanto extrañas de trabajarse con respecto a las formas anteriores de análisis físico, nuevos fenómenos que mostrar y postulados como principios tan imaginativos que físicos como Albert Einstein (gran aportador, pero agnóstico de esta física) creían fuera de todo plan concebido y fantasmagórico. Estas son algunas de sus curiosas formas en que se nos manifiesta:
El conocimiento completo del estado de un sistema está prohibido. Una medición revela sólo una pequeña cantidad de información sobre el estado cuántico del sistema (algo muy diferente a la mayoría de sistemas macroscópicos), y el cual se puede llegar a complementar con un principio que lleva ese nombre. El acto de medición de una partícula fundamental perturba su estado, esto se debe a que al ser partículas tan pequeñas son muy delicadas y cualquier interacción
produce cambios significativos en ellas. Las partículas cuánticas pierden el concepto de trayectoria. Todo lo se puede decir acerca de la partícula es que empezó en A y se detecto en B, no podemos decir nada con respecto a su trayectoria o camino tomado para llegar de A hasta B. La mecánica cuántica es intrínsecamente probabilística. Podría cuadrar dos partículas o experimentos semejantes y en estados idénticos y al medirlos no darme necesariamente el mismo valor en los dos, es por eso que trabaja con la “probabilidad” de que haya un resultado esperado. Las entidades cuánticas en algunos aspectos como partículas y otros como en ondas, pero en realidad estos tienen un comportamiento peculiar y es que no son partículas ni ondas.
Estos comportamientos están sustentados a su vez por algo que los progenitores de esta rama de la física hicieron para 1927 en la ciudad de Como en Italia, y el cual recibe el nombre de la interpretación de Copenhague. Esta interpretación hace referencia a una interpretación de la mecánica cuántica que discutieron diferentes científicos como Bohr, Born, Heisenberg y Schrodinger para buscar algunas reglas de juego para esta clase de física. Sus postulaciones vienen de análisis hechos por algunos de ellos y fueron aceptados después por un gran número de pares académicos, hasta nuestros días que son formas en que se percibe ahora el mundo. Estas fueron bautizadas los
pilares de Copenhague:
la
interpretación
de
El principio de incertidumbre de Heisenberg, el cual establece que no se puede conocer simultáneamente con absoluta precisión la posición y el momento de una partícula. La interpretación de Copenhague señala el hecho de que el principio de incertidumbre no opera en el mismo sentido hacia atrás y hacia delante en el tiempo. Bohr formuló en la interpretación de Copenhague lo que se conoce como el principio de complementariedad que establece que ambas descripciones, la ondulatoria y la corpuscular, son necesarias para comprender el mundo cuántico. En física cuántica el observador interactúa con el sistema en tal medida que el sistema no puede considerarse con una existencia independiente.
Además de los principios anteriores, se pueden nombrar otros que aparecieron posteriormente y que ayudaran para el entendimiento de temas a exponer dentro de poco en este ensayo, entre los cuales están:
El principio de superposición, el cual explica como una partícula puede ser superpuesta entre dos estados al mismo tiempo. El principio de medición que nos dice como la medición de una partícula cambia su estado, y a cuanta información podemos disponer de una partícula. El axioma de la evolución unitaria, gobierna como el estado
de un sistema cuántico evoluciona en el tiempo. Ahora se hablaran de diferentes aplicaciones que aparecen de estos peculiares comportamientos y que son avances exponenciales para la ciencia. Entrelazamiento cuántico
Es un fenómeno exclusivamente cuántico, en el cual los estados cuánticos de dos o más objetos se deben de describir de forma que los estados estén correlacionados con todos los estados de los demás objetos del sistema, incluso si los objetos están separados espacialmente. Esta propiedad fue predicha por Einstain, Podolsky y Rosen en sus experimento mental titulado la paradoja EPR en 1935, en donde se divisaba un comportamiento muy diferente a los casos clásicos, en la cual las relaciones establecidas ya no pueden ser indivisibles ni factorizables, por lo cual se puede decir que ya son un nuevo sistema. Por la relación inseparable de los estados correlacionados de los objetos en el sistema, las características de uno de los objetos servirá para predecir las de los otros objetos del sistema, el caso viene al momento de separarse los objetos a distancias mayores en la cual la transmisión de la información tendría que violar el límite de velocidad de transmisión en el universo impuesto por la velocidad de la luz, por lo cual una transmisión de información de un objeto a otro no es posible, pero a su vez el entrelazamiento nos dice “no es problema mío, eso no me afecta”, eso es porque entre las partículas no hay en si un intercambio o transmisión de información, sino ya hay certezas en los
resultados que se relacionan entre las partículas, esto se debe a que fueron acondicionadas previamente. Qubits y computación cuántica
También llamados bits cuánticos, son los bloques de construcción básicos que abarcan todos los fenómenos cuánticos fundamentales, ellos son sistemas de dos estados bien definidos hasta que se hacen las mediciones del fenómeno a prueba (e.j. la transición del estado fundamental al primer estado excitado de un electrón en un átomo de hidrogeno). El concepto de qubit es abstracto y no lleva asociado un sistema físico concreto. En la práctica, se han preparado diferentes sistemas físicos que, en ciertas condiciones, pueden describirse como qubits o conjuntos de qubits. Los sistemas pueden ser de tamaño macroscópico, como un circuito superconductor, o microscópico, como un conjunto de iones suspendidos mediante campos eléctricos. Los dos estados de un qubit son 1 y 0, como en el caso del bit, pero además ellos se pueden expresar como la superposición de los 2 estados A|1> + B|0>. A continuación se pueden ver diferencias entre los bits y los qubits:
El paralelismo cuántico, que es la posibilidad de representar simultáneamente los valores 0 y 1. Los algoritmos cuánticos que operan sobre estados de superposición realizan simultáneamente las operaciones sobre todas las combinaciones de las entradas. Múltiples qubits pueden presentarse en un estado
de entrelazamiento cuántico, un sistema de dos qubits entrelazados no puede descomponerse en factores independientes para cada uno de los qubits
Figura 1. Niveles de energía de un átomo, el estado fundamental y el primer estado excitado corresponden a valores del qubit.
Las anteriores características del qubit dan para la creación de circuitos y algoritmos cuánticos los cuales están siendo usados para la creación de compuertas lógicas cuánticas, los cuales a su vez van a ser usados para la elaboración de dispositivos y computadoras cuánticas que tendrán capacidades de almacenamiento y procesamiento inimaginables para lo que eran en la época en que se empezaron a plantear y aun para nuestros días. Por supuesto, como toda tecnología temprana tiene sus inconvenientes y para esta no hay excepciones aun con el manejo riguroso de sus formalidades matemáticas y experimentales presenta problemas como el tiempo de coherencia en los fenómenos a trabajar- de unos pocos picosegundos de duración – y la variación de los valores a causa de la interacción con el medio ambiente y el observador a causa del principio de medición Pero eso no significa que no haya avances y resultados con cierto grado de certeza que se puedan trabajar para aplicaciones electrónicas, físicas, etc.
Aprovechando el principio de superposición se pueden lograr varios análisis paralelos al tiempo con lo cual se puede llegar a un nivel multitarea de proporciones exponenciales y esto depende de los qubits que se dispongan, cabe resaltar, el número de operaciones es exponencial con respecto al número de qubits. Varios problemas que se han propuesto para solucionar con computación cuántica son por ejemplo, la factorización de números de gran cantidad de cifras y logaritmos discretos para criptografía, algoritmos recursivos, trasmisión a grandes distancias a partir de sistemas entrelazados y simulación de sistemas cuánticos. Criptografía cuántica
Apoyada en los principios de superposición, incertidumbre, colapso de estado y entrelazamiento de sistemas cuánticos, la criptografía ha hecho aplicaciones extraordinarios con ayuda de la física cuántica. La primordial defensa otorgada a estos sistemas de encriptado se encuentra en el principio de incertidumbre, y esto es porque si un intruso trata de intervenir en el sistema cuántico, por ejemplo, al momento de la creación de las claves o en interceptar el mensaje, el sistema será alterara alertando a los usuarios de un intento de violación mucho antes de que haya intercambio de información. Uno de los métodos más usados para la implementación de esta tecnología está en la manipulación de fotones y los estados interesados para la encriptación son sus dos estados de polarización, las cuales pueden ser inducidas a partir de láseres y
transportarse por fibra ópticas, y ambos lados se trabaja con filtros polarizados. Otra ventaja es que la clave se genera "naturalmente al azar" ya que es imposible saber de antemano qué polarización tendrá cada fotón.
Claro que este fenómeno coloca sus condiciones; estas radican en la altura y el ancho de la barrera a vencer, otra cosa es la masa que tiene la partícula (un diatómico tiene un factor de reducción 100 comparado con la probabilidad de un solo átomo).
Teleportación cuántica
Este fenómeno exclusivamente cuántico ocurre con sistemas entrelazados y consiste en la transferencia de un estado cuántico de forma instantánea a localizaciones tan lejanas como las separadas por la velocidad de la luz; esto llevaría a pensar que se está violando la prohibición de que nada puede viajar más rápido de la luz, pero lo que ocurre es que este fenómeno no tiene transporte de materia ni de energía, ocurre simplemente porque los estados de las partículas están correlacionadas. Efecto túnel
Este fenómeno es exclusivo de partículas de tamaño nanometrico y consiste en la capacidad que tienen ese tipo de partículas para sortear barreras de potencial de mayor magnitud a la energía que posee la partícula, efecto impensable para los cuerpos que se rigen estrictamente a la mecánica clásica. Este fenómeno tiene explicación en el principio de incertidumbre, recordando que una partícula subatómica no tiene valores fijos de posición o impulso y observando ese hecho, cabe la posibilidad de que partículas con valores de incertidumbre en el momento den a la partícula valores mayores de energía que el limitado por la barrera de potencial, creando una probabilidad no nula para que la partícula pueda franquear la barrera.
La cantidad de aplicaciones creadas para este fenómeno desde su descubrimiento han sido considerables, en ramas como la electrónica y la física del estado sólido. Entre estas aplicaciones se encuentran la creación de transistores, la elaboración de microscopios que funcionan con este efecto, cosmología y superconductores. Para el caso del Microscopio de Fuerza Atómica creado en 1981, su funcionamiento consta de una punta metálica puesta en un cubo de cuarzo (piezoeléctrico) al que se aplica una tensión eléctrica a una distancia de unos pocos angstroms de altura por encima de la superficie que se desea examinar. Con ayuda del efecto túnel, los electrones pueden pasar de la punta metálica a la superficie atravesando el vacio que los separa, aun cuando estos electrones carezcan de la energía que estipula la física clásica. A su vez este dispositivo es usado de una forma inversa, cargando una tensión negativa y haciendo que electrones de la superficie pasen a la punta metálica, con lo cual se pueden mover de un lugar a otro, lo mismo para cartografiar la superficie.
Otros aspectos por hablar… Si se mira bien, todo lo hablado anteriormente puede parecer en un principio tan desconcertante que puede llegar a asustar y a hacer dudar la idea que se ha formado de las cosas a partir de
la interacción con el medio y lo que en verdad sucede en el medio; cosas como, la distancia estrictamente no aísla la influencia de un experimento con otro, la medición de un fenómeno automáticamente lo puede alterar y la posibilidad de pegar saltos con energía que no se cuenta son cosas que son vagas a nuestro entendimiento intuitivo, pero, hay que recordar que la intuición y el instinto son enemigos de la ciencia, sino, solo mire el ejemplo de galileo, el cual en su época ocasiono gran consternación al decir que la tierra era redonda siendo que para la intuición y entendimiento de la época la hacía parecer plana. Esta física ha hecho a más de uno hacerse preguntas y refutaciones tanto científicas como filosóficas de ella a causa de la cantidad de interpretaciones que se ha hecho de ella y de algunos cabos sueltos que se han estado atando en los últimos décadas, como ejemplo de estas controversias tenemos el periodo de gran intercambio de cartas y discusiones entre Albert Einstein (padre de la física relativista y uno de los primeros colaboradores de la física cuántica) y Neils Bohr (mayor defensor de la cuántica y cofundador de la misma) por la veracidad de las formulaciones que presentaba la física cuántica y como esta se acoplaba al concepto de la realidad que se percibe y se vive. Estas discusiones llevaron a que se crearan bandos que apoyaban (Bohr, Heisenberg, Pauli, Born, Dirac) y otros que no estaban muy de acuerdo con la idea (Plack, Schrodinger, Einstein, De Broglie) y todo por el problema de la aprehensión que tenia la teoría, pero en las últimas décadas algunos de estos detractores debieron bajar en parte la cabeza y aceptarla al ver sus resultados,
otros simplemente fueron hasta la tumba con su rechazo a ella. Ahora si se mira lo fundamental que ha llegado a ser el entendimiento de esta física, se va a encontrar escenarios que muestra su eficacia en el entendimiento del universo. Si se mira el caso de la constante (h) encontrada por el científico alemán Max Planck, se puede ver lo vital de su valor al examinar caso como las fuerzas interatómicas que ocurren en el núcleo de un átomo, el comportamiento de ciertas frecuencias de luz en los materiales (efecto fotoeléctrico y Comptón), comportamientos de materiales con respecto al paso de cargas eléctricas en ellos (Conductividad eléctrica, efecto Hall y Joshepson, comportamiento de semiconductores y superconductores), detección y calculo de cuerpos cósmicos (efecto de cuerpo negro) y a su vez el funcionamiento en sí del universo como se conoce hasta hoy día (permanencia de la mecánica clásica y el electromagnetismo). Solo es de imaginarse si h fuera de una magnitud mayor, para imaginar los efectos que esto acarrearía; solo por decir algunos están, el efecto túnel en la naturaleza macroscópica sería algo de lo más normal, las uniones de las partículas y el modelo que se tiene del átomo cambiarían de forma drástica a tal modo que la desintegración de las partículas elementales se llevaría con muy poco esfuerzo y lo que parece estable en nuestro mundo macroscópico tendería a la alta entropía en la que se encuentran los sistemas cuánticos, es algo curioso de analizar y aun más curioso de imaginar. Referencias:
Etienne Klein (2003). La Física Cuántica. Siglo Veintiuno Editores. Griffiths, David J. (2004). Introduction to Quantum Mechanics (2nd Ed.). Prentice Hall. BerkeleyX: CS191x Quantum Mechanics and Quantum Computation. The Axioms of Quantum Mechanics. Chapter 1. Edx. https://courses.edx.org/c4x/Berkel eyX/CS191x/asset/chap1.pdf BerkeleyX: CS191x Quantum Mechanics and Quantum Computation. Qubits Chapter 1. Edx. https://courses.edx.org/c4x/Berkel eyX/CS191x/asset/chap1.pdf BerkeleyX: CS191x Quantum Mechanics and Quantum Computation. Entanglement . Chapter 2. Edx. https://courses.edx.org/c4x/Berkel eyX/CS191x/asset/chap2.pdf BerkeleyX: CS191x Quantum Mechanics and Quantum Computation. Quantum Gates, Circuits & Teleportation. Chapter 1. Edx. https://courses.edx.org/c4x/Berkel eyX/CS191x/asset/chap3.pdf Rosenblum Bruce, Kuttner Fred (2011). Quantum Enigma (2nd Ed.). Oxfor d University Press.
