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El experimento de la triple rendija

Una nueva versión de un célebre experimento modifica nuestra visión de la física fundamental y sugiere una estrategia alternativa para la computación cuántica.

ANDREA UCINI

En síntesis

El experimento de la doble rendija puso de manifiesto que la luz y la materia son tanto ondas como partículas y demostró el principio de superposición, que implica que las partículas pueden encontrarse en diversos estados al mismo tiempo.

Recientemente, los científicos han llevado a cabo este experimento con tres rendijas en lugar de dos. La modificación ha revelado nuevos detalles acerca de cómo debe calcularse la superposición en las condiciones propias de estos experimentos.

El experimento de la triple rendija también puede ser útil para la computación cuántica. Ofrece la oportunidad de crear bits cuánticos con tres dimensiones (en vez de las dos habituales), lo que podría servir para aumentar el tamaño de los ordenadores cuánticos.

El premio nóbel Richard Feynman afirmaba que el experimento de la doble rendija encierra «todo el misterio de la mecánica cuántica». Propuesto en 1801 por el erudito inglés Thomas Young, este experimento consiste en enviar un haz de fotones (partículas de luz) contra una placa con dos rendijas. Al alcanzar una pantalla situada tras la placa, la luz produce un patrón de interferencia característico: bandas luminosas intercaladas con otras oscuras. Este patrón solo puede aparecer si los fotones presentan un comportamiento ondulatorio, de modo que las crestas y los valles de las ondas procedentes de cada rendija interfieran entre sí, sumándose en algunos puntos de la pantalla y cancelándose en otros. Al llevar a cabo este experimento (con un diseño diferente), Young aparentemente demostró que la luz era una onda y no una partícula.

¿O no lo hizo? Siglos más tarde, los científicos realizaron experimentos similares donde los fotones se emitían uno a uno. Extrañamente, el patrón de interferencia seguía apareciendo, como si cada partícula fuese capaz de interferir consigo misma. Y lo que es aún más raro: si usamos un detector para determinar por qué rendija pasa cada fotón, el patrón de interferencia desaparece y sobre la pantalla se obtienen dos líneas luminosas, como cabría esperar si fueran partículas y no ondas las que estuvieran atravesando las rendijas. Es como si el acto de medir cambiase la naturaleza de las partículas.

Pese a su simplicidad, el experimento de la doble rendija sigue siendo uno de los más fascinantes jamás realizados. Se ha repetido muchas veces, tanto con partículas de luz como de materia, y demuestra la naturaleza fundamentalmente extraña de la mecánica cuántica: la luz y la materia son tanto partículas como ondas, un concepto que se conoce como dualidad onda-corpúsculo. El experimento también pone de manifiesto el principio de superposición, según el cual las partículas pueden hallarse en diversos estados e incluso en diferentes lugares a la vez. En el caso que nos ocupa, las partículas no pueden haber pasado a través de una rendija o la otra: para que se produzca la interferencia, tienen que viajar a través de ambas.

Pese a lo célebre de este experimento, aún no hemos desvelado todos sus secretos. Mi equipo en el Laboratorio de Información y Computación Cuántica del Instituto de Investigación Raman de Bangalore, en la India, ha realizado recientemente experimentos de «triple rendija» (con tres rendijas en vez de dos) con microondas. Aunque parezca una modificación muy simple, tiene profundas repercusiones. En el plano teórico, nuestro experimento de la triple rendija ha aclarado cómo debe calcularse la superposición en tales circunstancias, revelando nuevas sutilezas en nuestra comprensión de este fenómeno.

La configuración del experimento de la triple rendija también ofrece oportunidades en el campo de la computación cuántica. Los ordenadores cuánticos prometen ser capaces de realizar cálculos hasta ahora inabordables, siempre que logremos aprovechar las posibilidades que nos brinda la física cuántica para construirlos. Uno de los principales retos de la computación cuántica es encontrar un modo de aumentar el número de bits de los ordenadores cuánticos —los llamados qubits— sin destruir la superposición que permite que dichos qubits se encuentren en dos estados a la vez (y que es la clave para aumentar enormemente la velocidad de cálculo). Mientras gran parte de la comunidad persigue este objetivo, mi laboratorio ha adoptado un enfoque alternativo que aún no ha recibido tanta atención: usar «qudits» con d dimensiones en lugar de los qubits bidimensionales. A partir del experimento de la triple rendija podemos crear qudits tridimensionales, conocidos como «qutrits».

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