Realización experimental del camino cuántico

Consiguen hacer realidad el camino cuántico propuesto por Feynman. Esto ayudará a entender la naturaleza del mundo físico y biológico, y a implementar nuevos algoritmos de computación cuántica.


El concepto de camino aleatorio explica varios sistemas físicos como el movimiento browniano.
Imagine que un individuo decide la dirección a tomar al dar su próximo paso lanzando un dado, cada cara del dado le indicará ir al norte o al sur o a cualquier otra dirección. El camino será aleatorio, pero ese individuo terminará cerca de su posición inicial al cabo de un tiempo, al igual que un borracho lo estará de la farola a partir de la cual intenta andar. Una partícula de coloide en un líquido o un electrón en un metal se comporta también de esta manera. Una versión de este modelo que permite un análisis más sencillo es la de utilizar una moneda en lugar de un dado. De este modo si al lanzarla sale cara un objeto se desplazará una unidad a la derecha y si
sale cruz se desplazará a la izquierda la misma cantidad. Es este caso el problema es unidimensional.
Richard Feynman propuso hace tiempo una versión cuántica del camino aleatorio. En este caso la partícula puede moverse en ambas direcciones (en el caso del problema unidimensional) simultáneamente cada vez que “se lanza la monda” y adopta una superposición coherente en la que está a la izquierda y a la derecha del punto inicial a la vez, estando deslocalizada en diferentes posiciones. Es decir, la partícula se mueve en dos direcciones a la vez. Después de varias iteraciones los nuevos estados se superpondrán a parte de los antiguos y como resultado, en un proceso denominado interferencia onda-materia, la posición eventual de la partícula tenderá a estar más lejos del punto inicial que en su versión clásica. Esa posición fija final se obtiene cuando
se realiza la medida de su posición, al colapsar su estado a una posición concreta.



En el camino aleatorio clásico (derecha) una partícula da un paso a la derecha o izquierda de manera aleatoria. En el camino cuántico (izquierda) una sola partícula da un paso a la izquierda y a la derecha a la vez, dando lugar a un estado en el que está en varios lugares a la vez Foto: Michal Karski, Science.
Varios grupos han creado en el pasado sistemas que exhiben este comportamiento, pero ahora
Artur Widera y sus colaboradores de la Universidad de Bonn han conseguido realizar la idea original de Feynman de un camino cuántico de una sola partícula que se aproxima muchísimo a lo que aparece en los libros de texto.
En este caso la partícula consistía en un solo átomo de cesio ultrafrío controlado en una trampa en el que había dos redes ópticas que inicialmente se superponían formada por dos haces láser. Con una señal de radiofrecuencia preparaban el átomo en una superposición de dos estados de spin internos. Luego movían las redes ópticas en diferentes direcciones cambiando la polarización de los haces láser, provocando con ello que el átomo se desplazara simultáneamente en ambas
direcciones (izquierda y derecha). Al repetir la operación la posición central contenía dos partes del átomo que interferían una con otra.

Después de diez pasos, estos investigadores detectaban la fluorescencia emitida por el átomo colapsando así el estado a una posición concreta. La distribución de probabilidad de las posiciones finales obtenida después de muchos experimentos era antisimétrica respecto al punto inicial, que es lo que predecía la teoría del camino cuántico. Sin embargo, si los investigadores destruían la superposición después de cada paso se obtenía el resultado clásico: una distribución binomial con el pico centrado en el punto inicial.
Este resultado podría ayudar a comprender los efectos cuánticos mesoscópicos y quizás implementar algoritmos de computación cuántica basados en el camino cuántico. Se especula que también podría ayudar a entender procesos biológicos como el de la fotosíntesis.

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