La revista Physics World, del Institute of Physics del Reino Unido, selecciona todos los años los diez hallazgos más relevantes en el mundo de la física. En su última selección, a finales de 2020, se incluyó una investigación en la que participó el profesor de Física en la Universidad de Sevilla Adán Cabello, junto con colaboradores de las Universidades del País Vasco, Siegen y Estocolmo. El profesor Cabello ya ha aparecido en otras ocasiones por aquí, siendo como es uno de los pioneros de la información cuántica en España y una de las voces más autorizadas a nivel mundial dentro del jardín, en ocasiones pantanoso, de eso que llamamos fundamentos de la mecánica cuántica (por ejemplo, las desigualdades de Bell). La prensa española se ha hecho eco de que el equipo de Cabello había conseguido realizar una "medición ideal" de un estado cuántico, y de alguna manera "monitorizar" el proceso. Ahora bien, ¿qué es esto de una medición ideal? 

Muchas veces hemos hablado aquí del papel de las medidas en la física cuántica, haciendo hincapié en el hecho de que no son "observaciones" en el sentido cotidiano del término, es decir, el de un señor mirando. Ahora bien, normalmente hablamos de las medidas para mostrar cómo afectan a los estados cuánticos: por ejemplo, tomamos un bit cuántico o cúbit en un estado de superposición (cierta probabilidad de tener cada uno de los dos posibles estados del cúbit) y, tras realizar una medida, el cúbit pasa a estar en un estado completamente definido (ya no es una superposición sino que tiene un 100% de probabilidad de estar en un estado y 0% en el otro). Parecería entonces que las medidas cuánticas siempre tienen un efecto drástico en los sistemas cuánticos, y que siempre destruyen las superposiciones (y por tanto también el entrelazamiento cuántico, que aparece en superposiciones de sistemas con varias partes). Pues bien, el experimento realizado por los colaboradores experimentales del profesor Cabello muestra exactamente lo contrario: una medida que no destruye la superposición, sino que la deja intacta.

Para entender esto, basta con imaginar que en lugar de tener un cúbit tenemos un sistema con tres posibles estados: digamos, con la imaginación que nos caracteriza, a, b y c. (Esto, en inglés, es un "qutrit", que me temo que tengo que traducir como "trit cuántico" o "cútrit"). Además, tenemos que imaginar un aparato de medida que no es capaz de distinguir entre las tres posibilidades del cútrit, sino que, por ejemplo, sólo es capaz de decirnos si el sistema está en el estado a o no lo está. Es decir, no es capaz de decirme si el sistema está en el estado b o en el c. Como el aparato no distingue en absoluto entre b y c, la medida no afecta en absoluto a esos estados, y deja intactas cualquier superposición de b y c que hubiera antes de la medida. Esto es lo que nos dice la teoría de la física cuántica, pero hasta ahora no se había hecho un buen experimento que lo confirmara.

En el experimento, a, b y c son tres estados de energías distintas de un ion atrapado ("trapped ion", uno de los sistemas más usados en el campo de las tecnologías cuánticas modernas). El ion se ilumina con un láser, cuya frecuencia está escogida astutamente para que comunique una cantidad de energía al ion tal que:

- si está en el estado a, salte a un estado que no es ni el b ni el c (llamémosle, derrochando imaginación, d). Una vez en d, el ión vuelve a saltar rápidamente al estado a, emitiendo un fotón que se lleva la diferencia de energías entre a y d.

- si está en b o en c, no pasa absolutamente nada.

De manera que, si detectamos un fotón con la energía predicha por la teoría, sabemos que el sistema está en el estado a, y si no detectamos nada, pues sabemos que el sistema no está en el estado a, pero no tenemos ni idea de si está en b o en c. Como ven, este era el tipo de dispositivo que necesitábamos para realizar una medida que no destruya las probabilidades de una superposición entre b y c. Y eso es precisamente lo que se hizo en el experimento, con un grado de control teórico y experimental tan asombroso como para permitir documentar la evolución del sistema desde el estado inicial hasta el final, después de la medida. La medida no es instántanea, y todo el proceso está perfectamente descrito por la mecánica cuántica más estándar, sin ninguna hipótesis extra (¿qué fue entonces de eso que algunos siguen llamando alegremente "problema de la medida"?).

Me gustaría que este ejemplo concreto ayude al lector a entender mejor qué es una medida en física cuántica, proceso al que solemos referirnos de forma abstracta y que, como se ve, poco tiene que ver con abrir una caja en la que se está torturando a un infame minino austrohúngaro (o con los "weeping angels" del gran Steven Moffat en Doctor Who, que sólo se pueden mover si no los miras, porque están "quantum-locked"). 

  

Un "weeping angel"sólo se puede mover si nadie está mirando.

Carlos Sabín
Carlos Sabín

Físico teórico. Investigador "Junior Leader" en el Instituto de Física Fundamental del CSIC. Autor de "Verdades y mentiras de la física cuántica".

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