Imprimir Republicar

TAPA

Sobre gatos, fotones y mundos extraños

Físicos brasileños miden el intercambio de información entre las partículas de luz y el ambiente para comprender la transición del mundo cuántico al mundo clásico

CATARINA BESSELLPregúntenle a un físico de qué está compuesto el Universo y probablemente oirán que todo, desde las estrellas hasta los seres vivos, está formado por partículas atómicas que presentan un comportamiento bastante exótico, descrito a la perfección por las leyes de la mecánica cuántica. Por lo general, no se notan esas extrañas propiedades de las partículas, tales como la capacidad de estar en más de un lugar en el espacio al mismo tiempo, dado que éstas interactúan con el ambiente que las rodea. El medio en el cual las partículas se encuentran inmersas, justamente por ser tan complejo, absorbe esas características cuánticas y las disipa de modo tal que no pueden recuperarse. Perdidas esas propiedades, los componentes más elementales de la materia pasan a comportarse como cualquier objeto visible a simple vista. Pero en un experimento con partículas de luz que se realizó hace algunos meses en la Universidad Federal de Río de Janeiro (UFRJ), un grupo de físicos brasileños demostró que no siempre la información cuántica que llega al ambiente se pierde para siempre. O al menos, no inmediatamente. Bajo condiciones especiales, parte de la información es retenida y quizá pueda incluso recuperarse. “Es como si la interacción de la partícula con el entorno dejara una impresión digital en el ambiente”, explica el físico Luiz Davidovich, quien, junto con Paulo Henrique Souto Ribeiro y Stephen Walborn, coordinó el equipo que llevó adelante los ensayos.

La constatación de que la pérdida de información no es completa, presentada en la edición del 12 de octubre de la revista Physical Review Letters, puede concitar el interés de físicos y expertos en teoría de la información por dos motivos. El primero es de índole práctica. Como la información no se desvanece por completo, ni tampoco instantáneamente, puede volverse un tanto más sencilla la construcción de sistemas más estables, que permitan utilizarla para realizar cálculos, tal como es el caso de las computadoras cuánticas, o para transmitirla con seguridad, mediante la criptografía cuántica. Sucede que el funcionamiento de esos sistemas depende directamente de las propiedades cuánticas de las partículas, razón por la cual los prototipos producidos –incluso aquél que parece ser la primera computadora cuántica comercial, fabricada por la empresa canadiense D-Wave Systems (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 193)– deben mantenerse a temperaturas bajísimas y aislados lo máximo posible de la influencia del ambiente que los circunda.

En tanto, el segundo motivo es de naturaleza teórica, e incluso filosófica. Un mejor conocimiento acerca de cómo interactúan las partículas atómicas con el medio puede contribuir a establecer los límites (de tamaño, masa o energía) que separan al mundo clásico del cuántico. En otras palabras, saber hasta qué punto son válidas las leyes de la mecánica cuántica. A propósito, esta es una cuestión tan perturbadora como antigua. Según los físicos, nada en esa teoría que comenzó a ser formulada hace poco más de un siglo indica que existan tales límites. De tal modo, si las partículas presentan individualmente características cuánticas, probadas y comprobadas por los experimentos realizados, todo lo que está compuesto por partículas (plantas, animales, planetas y estrellas) también debería expresar un comportamiento cuántico, tal como el del gato simultáneamente vivo y muerto del experimento mental de Erwin Schroedinger.

En 1926, ese físico austríaco formuló una ecuación en la que las partículas eran tratadas como ondas. Según su colega alemán Max Born, las ondas indicaban la probabilidad de que una partícula fuera encontrada en una región del espacio-tiempo. Molesto con ciertas interpretaciones muchas veces asociadas con esa distribución de posibilidades –que atribuían, por ejemplo, la incertidumbre al respecto de la posición de una partícula a la ignorancia del observador, y no a una propiedad objetiva de la partícula–, Schroedinger intentó demostrar las consecuencias absurdas que podrían sobrevenir. Para ejemplificar la rareza de los resultados, él sugirió en 1935 que se imaginara lo que le sucedería a un gato colocado en una caja herméticamente cerrada conteniendo un puñado de material radioactivo, un detector de radiación, un martillo y un recipiente de vidrio conteniendo un gas letal. Cuando decae, la partícula libera radiación y acciona el detector, que a su vez, activa el mecanismo que provoca que el martillo rompa el frasco con veneno. Como consecuencia de ello, el gato muere.

018-025_Fotons_202-1_novoDaniel das NevesPero luego sobrevendría la complicación. Suponiendo que hubiera una posibilidad del 50% de que una partícula decayera por hora, habría una posibilidad igual (también de un 50%), de que el gato estuviera vivo o muerto pasados 60 minutos del inicio del experimento. Según Schroedinger, el carácter probabilístico de la física cuántica otorgaría margen a una interpretación de que, al finalizar la prueba, el gato no estuviera ni vivo ni muerto, sino en una combinación de ambas condiciones (muerto y vivo) simultáneamente, una situación a la que los físicos denominan contraintuitiva de superposición de estados, sólo posible en el mundo cuántico. Mediante esa situación absurda, Schroedinger pretendía mostrar que era necesario interpretar con cuidado a la mecánica cuántica que él había contribuido a formular.

En estos casi 80 años no se han hallado fisuras en la teoría que permitiesen deshacer esa aparente paradoja. La mecánica cuántica es considerada como una de las teorías más probadas y exitosas de la física, capaz de predecir los fenómenos con una precisión jamás vista antes. En conjunto con la teoría general de la relatividad, formulada por Einstein, constituyen los pilares de la física moderna. “Hay consenso entre los físicos acerca de que el mundo es cuántico”, comenta George Matsas, físico teórico de la Universidad Estadual Paulista (Unesp). “Pero no se sabe cómo recuperar el mundo clásico a partir de una descripción meramente cuántica”. Al menos no de un modo en que la solución no parezca mágica a los ojos de un lego.

A medida que la sofisticación de la mecánica cuántica hacía desvanecer la conexión entre el mundo de las partículas y la realidad accesible para las personas, se propusieron diversos intentos de reconciliación. Ni bien surgió la paradoja, el propio Born habría afirmado que el dilema desaparecería al abrir la caja: el mero acto de observar eliminaría la superposición de estados y el gato se revelaría simplemente muerto o vivo. Y surgieron otras ideas. La explicación más aceptada acerca de por qué no se observan propiedades cuánticas en los objetos macroscópicos fue planteada por el físico alemán Heinz-Dieter Zeh, a comienzos de los años 1970. Él había observado que los sistemas macroscópicos que componen el mundo clásico, regido según las leyes de la física de Newton, jamás se encuentran aislados del ambiente, con el cual interactúan permanentemente. De ese modo, dichos sistemas no podrían describirse según las ecuaciones de Schroedinger, aplicables solamente a los sistemas cerrados. La consecuencia de esa conclusión fue verificada tiempo después por Wojciech Zurek, físico polaco del Los Alamos National Laboratory (LANL), en Estados Unidos. En esa interacción, la información del sistema cuántico escapa hacia el ambiente por medio de un fenómeno al cual Zurek denominó decoherencia cuántica.

No existe un límite de tamaño, masa o energía que establezca una división entre el mundo cuántico y el clásico. Aunque actualmente se cuenta con una idea más certera de los factores que influyen en esa transición

Catarina BessellNo existe un límite de tamaño, masa o energía que establezca una división entre el mundo cuántico y el clásico. Aunque actualmente se cuenta con una idea más certera de los factores que influyen en esa transiciónCatarina Bessell

Para entender de qué se trata la pérdida de coherencia, primero hay que saber qué es la coherencia, una propiedad de las ondas, como las que se propagan cuando se arroja una piedra al agua o cuando se agita una cuerda. Una prueba clásica de la física, el experimento de la doble rendija, que el inglés Thomas Young utilizó hace más de 200 años para investigar si la luz se compone de ondas o de partículas –la mecánica cuántica revelaría que es simultáneamente ambas cosas–, puede ayudar a comprenderlo. Una forma de realizar el experimento consiste en encender una luz monocromática delante de dos placas. En la primera, la más cercana a la lámpara, se practican dos ranuras paralelas que permiten que una parte de la luz pase e ilumine la segunda placa, algo más alejada. Por su naturaleza ondulatoria, tal como las olas en la superficie de un lago, la luz que atraviesa la primer mampara se recombina de modo tal como si en cada hendija hubiese una fuente de luz. Cuando el pico de una onda se encuentra con el pico de otra, éstas se suman, generando una cima mayor, y lo propio sucede cuando se encuentran dos valles. En tanto, cuando un pico coincide con un valle, ocurre un efecto destructivo y ambos se anulan. La combinación de picos y valles produce bandas iluminadas y oscuras que se intercalan en el segundo panel, siendo esto lo que los físicos denominan como patrón o banda de interferencia. “Coherencia es la propiedad que poseen los sistemas de producir ese patrón de interferencia”, explica Davidovich.

Sin embargo, en el siglo pasado, los físicos descubrieron que lo que sucede con las ondas también ocurre con los átomos o las partículas subatómicas, como en el caso de los electrones. Emitidos uno a uno aleatoriamente contra la primera placa, los átomos producen un patrón de interferencia similar al de la luz. Para la mecánica cuántica, eso sólo se explica si cada átomo atravesara simultáneamente ambas ranuras. Cuando lo que se desea observar es el patrón de interferencia que se forma en la segunda placa, el experimento funciona del mismo modo que la caja sellada con el gato de Schroedinger. Diversos experimentos han demostrado que, cuando se utiliza cualquier tipo de detector para intentar saber por cuál de las dos hendijas pasó efectivamente la partícula, la respuesta siempre es la misma: la partícula pasa por la ranura derecha o por la izquierda. Empero, cuando se realiza ese tipo de medición, la banda de interferencia desaparece en la segunda placa y, por ende, se pierde la coherencia. Análogamente a lo que sucede en el experimento del gato, el uso del detector en las ranuras cumple la misma función que la de abrir la caja.

Los físicos entienden esa segunda medición –o la apertura de la caja para espiar al gato– como la interacción del sistema con el ambiente. Cuando se hallaba aislado, el sistema mantenía un componente cuántico. En ese estado, el fotón o el electrón, por ejemplo, podía pasar por ambas ranuras al mismo tiempo. Cuando se diluye la coherencia, esa capacidad desaparece, y las partículas pasan a exhibir un comportamiento clásico (atraviesan alguna de las dos). En esa transición hacia el mundo clásico, se pierde la información cuántica, que es la que le permitía a la partícula hallarse en dos lugares al mismo tiempo, o al gato de Schroedinger estar muerto y vivo. “No puede reproducirse el mundo clásico sin que se pierda información del mundo cuántico”, comenta Matsas.

Para Zurek, la decoherencia ocurre porque el ambiente realiza mediciones sobre los sistemas cuánticos permanentemente. Tal como en el intento por descubrir por cuál de las dos ranuras pasó el electrón, esas mediciones suprimen informaciones o estados cuánticos más frágiles, manteniendo los más estables, que son los que se perciben en el mundo clásico. Zurek denominó darwinismo cuántico a esa destrucción selectiva de información.

018-025_Fotons_202-2Daniel das NevesEn un artículo publicado en 2002 en Los Alamos Science, la revista de divulgación del LANL dedicada a abordar temas de la frontera de la ciencia, Zurek escribió: “Una forma de comprender la existencia objetiva inducida por el ambiente consiste en reconocer que los observadores –en especial, los humanos– no miden nada directamente. En lugar de ello, la mayor parte de los datos que obtenemos sobre el Universo es adquirida cuando las informaciones sobre los sistemas que nos interesan son interceptadas por el ambiente”.

¿Complicado? Así lo consideran muchos físicos también. El propio Einstein se sentía incómodo con muchas de las interpretaciones que ofrecía la mecánica cuántica acerca del mundo. En cierta ocasión, mientras caminaba por los jardines de la Universidad de Princeton junto a su biógrafo, el físico e historiador de la ciencia Abraham Pais, Einstein habría comentado algo así: “¿Crees realmente que la Luna sólo está ahí cuando la miramos?”. En el libro Introducing quantum theory – A graphic guide, el escritor Joseph P. McEvoy relata que en diciembre de 2000 el físico estadounidense John Wheeler, un estudioso de la mecánica cuántica que trabajó junto a uno de los exponentes del área, el danés Niels Bohr, y contribuyó al desarrollo de la bomba atómica y la de hidrógeno, le escribió en ocasión del 100º aniversario del descubrimiento del quantum. En 1900, el físico alemán Max Planck arribó a una conclusión que conduciría al desarrollo de toda la mecánica cuántica. Planck verificó que en la naturaleza la energía se intercambiaba entre átomos y la radiación en cantidades discretas (paquetes) a las que él denominó quanta, el plural de quantum. En el texto enviado a McEvoy, Wheeler decía: “Para celebrar, yo propondría el título: ‘El Quantum: la Gloria y la Vergüenza’. ¿Por qué gloria? Porque no hay área de la física que el quantum no haya iluminado. La vergüenza es porque todavía no sabemos ‘¿por qué razón el quantum?’”.

En el mundo macroscópico, fotones como los provenientes de las estrellas –y son muchos los fotones que, por ejemplo, llegan a la Tierra– chocan permanentemente con los objetos. “Es como si se registraran mediciones que destruyen la información cuántica y nos permiten percibir un mundo clásico”, dice Davidovich, quien desde hace casi tres décadas investiga los fenómenos complejos de la mecánica cuántica. Entre ellos, la pérdida de coherencia, que determina el paso del mundo cuántico al clásico.

Hasta ahora no se ha registrado un límite en el tamaño, masa o energía que establezca una especie de frontera entre un mundo y el otro. En un encuentro que congregó a los grandes físicos del mundo en 1927, Niels Bohr propuso que esa frontera variaría entre un sistema y otro. Años atrás, en Austria, el equipo del físico Anton Zeillinger demostró que las moléculas del fullereno, formadas por 60 átomos de carbono y con una estructura similar a un balón de fútbol, mantienen un comportamiento cuántico (como onda y partícula) en el experimento de la doble rendija. El grupo ya anunció que planifica emular el test con virus, con tamaño bastante mayor.

“Me gustaría estudiar las impresiones digitales que los objetos macroscópicos dejan en el ambiente”, dice Davidovich

Catarina Bessell“Me gustaría estudiar las impresiones digitales que los objetos macroscópicos dejan en el ambiente”, dice DavidovichCatarina Bessell

Aunque no se conozcan esos límites, los físicos actualmente poseen una idea más precisa acerca de los factores que afectan esa transición. Cuando en 1986 trabajó en el laboratorio del físico francés Serge Haroche, en la École Normale Supériore, en París, Luiz Davidovich comenzó a investigar esa cuestión. Junto al equipo de Francia, él y su colega brasileño Nicim Zagury, también de la UFRJ, comenzaron a idear un sistema que permitiese simular la medición que realiza el ambiente sobre los sistemas cuánticos. Diez años más tarde, Davidovich publicó conjuntamente con sus colegas franceses un artículo en Physical Review A, detallando cómo el sistema podría construirse de manera tal de medir la información del sistema cuántico y registrar su transformación en clásico debido al efecto del ambiente. La idea consistía en atrapar fotones de una luz muy poco energética (en la frecuencia de las microondas) que se hallasen en superposición de estados en el interior de una cavidad construida con espejos especiales –esa superposición resulta análoga a contar con una cavidad “encendida” con fotones, y “apagada”, sin fotones, al mismo tiempo– y a continuación hacer que un átomo la atraviese. Cuando pasa por la cavidad, el átomo altera la energía de los fotones, que, a su vez, alteran el nivel de energía del átomo. Al analizar el átomo que salió de la cavidad, los investigadores lograron deducir las características de los fotones aprisionados, esto es, si se hallaban o no en una superposición de estados. Según Davidovich, en ese experimento, que se realizó el mismo año en que se publicó el artículo en Physical Review A, el átomo, que es transparente a la luz aprisionada, funciona como una especie de “ratoncito cuántico” que los investigadores envían hacia la caja del gato de Schroedinger. “Es una manera de espiar al gato sin abrir la caja”, dice Davidovich. “Dependiendo de cómo salga el ratón cuántico, podemos saber si el gato se hallaba o no en una superposición de dos estados, muerto y vivo”, explica.

Ese experimento demostró que el tiempo en que ocurre la pérdida de información cuántica –o tiempo de decoherencia– es inversamente proporcional a la cantidad de fotones presos en la cavidad, e integró una serie de trabajos que le redituaron a Haroche el Premio Nobel de Física de 2012 (un honor compartido con el estadounidense David Wineland, de la Universidad de Colorado, también investigador en el área). Esa relación que encontraron explica por qué no se observan objetos macroscópicos en más de un sitio al mismo tiempo. Como están compuestos por una cantidad muy elevada de partículas, dichos objetos pierden sus características cuánticas en un tiempo sorprendentemente breve.

Hace algunos años, Wojciech Zurek demostró que a medida que el sistema cuántico interactúa con el medio que lo circunda y pierde información –es decir, sufre decoherencia–, registros de esa información quedan en el ambiente. Ahora, en el estudio publicado en Physical Review Letters, Davidovich y los físicos Souto Ribeiro, Walborn, Osvaldo Jimenez Farias, Gabriel Aguillar y Andrea Valdéz-Hernández revelaron mediante un experimento con fotones que ocurre lo mismo con una propiedad básica para la computación y la criptografía cuánticas denominada entrelazamiento. El enmarañamiento o entrelazamiento es un eslabón cuántico que las partículas (o conjunto de partículas) mantienen entre sí, incluso cuando se hallan distantes unas de otras. Esa conexión, tan intensa como frágil, es tal, que las modificaciones sufridas por algunas de las partículas se reflejan en las otras (lea en Pesquisa FAPESP, ediciones nos 102, 123 y 136).

Utilizando un haz de luz láser que incide sobre una serie de cristales y filtros, el grupo de la UFRJ logró observar lo que ocurre con el entrelazamiento en un ámbito bastante sencillo –extremadamente más simple que el ambiente en que vivimos– sobre el cual tenían completo control y podían realizar mediciones y saber cuánta información se perdió por decoherencia. “Quizá ése sea el único sistema físico en el que se logra medir completamente el estado del ambiente”, relata Souto Ribeiro.

018-025_Fotons_202-3Daniel das NevesAl atravesar el primer cristal, el haz láser que contiene billones y billones de fotones genera tan sólo un par de fotones entrelazados –en este caso, los investigadores entrelazaron el plano de vibración de la luz, la polarización, que podía ser vertical u horizontal. Luego de esa primera etapa, cada uno de los fotones sigue un camino distinto rumbo al detector. Antes de que se verifique la medición de la polarización al final del recorrido, uno de los fotones atraviesa otra serie de cristales y filtros y adquiere otro tipo de información, codificada en el camino que recorrería a continuación (derecha o izquierda). Es como si los fotones hubieran interactuado con el ambiente externo al sistema y le hubieran transmitido parte de la información. Análogamente a lo que sucede con el gato de Schroedinger, esta transferencia de información sería equivalente a moléculas de olor que escaparan de la caja indicando si el gato se encuentra muerto o aún vive.

Los físicos observaron que el entrelazamiento inicial entre la polarización de los dos fotones comenzó a desaparecer luego de la interacción con el ambiente. Pero, en algunos casos, surgió en el final una forma distinta de enredo, en la que ambos fotones aparecían entrelazados con el ambiente. Según los investigadores, al conocerse la parte de la información que se pierde hacia el ambiente, quizá se pueda recuperarla. “Todavía no lo hemos hecho, pero observamos que es posible”, sostiene Davidovich.

“Nuestra idea consiste en intentar comprender el entrelazamiento tal como si fuera una magnitud física cualquiera, como la energía o la velocidad, para intentar establecer leyes evolutivas de esa cantidad”, dice Souto Ribeiro, quien coordinó, junto a su colega Walborn, además de Amir Caldeira y Marcos Oliveira, de la Unicamp, otro estudio publicado en noviembre en Physical Review Letters demostrando que aquellos estados más estables previstos por Zurek pueden tornarse evidentes incluso antes de que el sistema se vuelva clásico.

En opinión de Souto Ribeiro, el hecho de que haya funcionado en un ambiente sencillo indica que también debe ocurrir en ambientes más complejos, dado que las ecuaciones que describen la interacción con ambientes simples son exactamente las mismas que las describen en los complejos, en los cuales resulta difícil realizar mediciones. Davidovich considera que él y sus colaboradores tan sólo han comenzado a transitar un camino nuevo. “El experimento que realizamos nos provee solamente información parcial sobre lo que sucede, pues el objeto está lejos de considerarse macroscópico”, explica. “Me gustaría estudiar las impresiones digitales que los objetos macroscópicos dejan en el ambiente”. El próximo paso consistirá en explorar, desde el punto de vista teórico, qué sucedería en ese caso. “Idear un experimento para observarlo”, dice, “sería sumamente complejo”.

Artículos cientificos
FARIAS, O.J. et al. Observation of the emergence of multipartite entanglement between a bipartite system and its environment. Physical Review Letters. 12 out. 2012.
CORNELIO, M.F. et al. Emergence of the pointer basis through the dynamics of correlations. Physical Review Letters. 9 nov. 2012.

Republicar