Zenón, el fenómeno que puede salvar la vida del paradójico gato de Schrödinger

Zenón, el fenómeno que puede salvar la vida del paradójico gato de Schrödinger

Publicado por el Jun 27, 2017

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Abrir la caja muchas veces puede congelar al gato en el estado de «vivo». Este efecto es interesante para manipular sistemas cuánticos cada vez más complejos, útiles por ejemplo en ordenadores

Dentro de una caja se pueden encontrar muchas cosas extrañas, como por ejemplo, un paradójico gato de Schrödinger. El nacimiento de este felino se remonta a 1935. Por entonces, el físico Erwin Schrödinger estaba inmerso en un profundo y técnico debate con Albert Einstein, Boris Podolsky y Nathan Rosen, entre otros, sobre la extraña y casi «recién» descubierta naturaleza del mundo de la Física Cuántica. Para tratar de reflejar lo absurda que resultaba la cuántica sugerida por algunos investigadores, Schrödinger imaginó una situación en la cual en el interior de una caja hubiera algo tan desconcertante como la mecánica cuántica: un gato vivo y muerto a la vez. Pero su paradoja no solo no logró «ridiculizar» algunos rasgos de la física cuántica, sino que se convirtió en una popular explicación de uno de sus principios. Además, el gato de Schrödinger se transformó en uno de los gatos ficticios más famosos del mundo.

Al «pobre» gato de Schrödinger se le suele ver atrapado en un caja que tiene un mecanismo capaz de matarle. El ingenio consiste en un martillo capaz de romper un frasco de ácido cianhídrico. Dicho martillo se activa cuando un átomo inestable decae y emite radiactividad. Por eso, resulta que la vida del gato depende del extraño y errático comportamiento de una partícula cuántica (el átomo radiactivo). El estado de este átomo (decaído o no) no está definido, porque el átomo puede encontrarse en lo que se conoce como superposición cuántica, en virtud de la cual el estado no se define hasta que un observador lo mide. Por eso, el gato de Schrödinger está vivo y muerto a la vez al menos hasta que alguien abra la caja y mida su estado, momento en que ocurre una u otra cosa con una cierta probabilidad.

El gato de Schrödinger está vivo y muerto a la vez al menos hasta que alguien abra la caja y mida su estado

Desde un principio se sabe que las partículas cuánticas (como los átomos) no se comportan de la misma forma que los sistemas macroscópicos (como los gatos). Sin embargo, hoy en día las partículas que se comportan como gatos de Schrödinger siguen siendo estudiadas para profundizar en el conocimiento de la Física.

Un estudio científico publicado recientemente en la revista Physical Review Letters ha trabajado con un curioso fenómeno, según el cual, abrir repetidamente la caja donde está el gato de Schrödinger es capaz de salvarle la vida. Se trata del efecto Zenón, un fenómeno que retrasa o acelera la definición del estado de un sistema cuántico cuando se hace una medida de dicho estado.

Zenón, el filósofo de las paradojas

El efecto Zenón lleva el nombre de un filósofo griego que trataba de explicar, entre otras cosas, cómo fluyen el tiempo y el movimiento. Imaginó una flecha volando desde un arco, y se preguntó si no era verdad que en cada instante la flecha estaba, por así decirlo, detenida y suspendida en el aire, en un punto muy concreto del espacio. ¿Cómo podía moverse entonces?

Hoy se sabe que esto es más un problema filosófico que otra cosa, y que la dinámica de la flecha no está influida por el hecho de que se hagan o no observaciones instantáneas de su vuelo. Sin embargo, no ocurre lo mismo con los sistemas cuánticos. Observarlos de forma muy repetida, apenas dejando que transcurra una mínima fracción de tiempo cada vez, sí que tiene influencia. De hecho, puede retrasar la definición del estado de los sistemas cuánticos, lo que Schrödinger traduciría en un gato vivo o en un gato muerto.

Tal como ha explicado a ABC Juan José García Ripoll, investigador del Instituto de Física Fundamental (IFF-CSIC), en «Física cuántica medir el estado perturba la dinámica, y hace que el estado de las partículas colapse en la opción más probable».

Los olvidadizos qubits

Esto no es solo una filigrana de la Filosofía o la Física. En el mundo real, puede ser interesante jugar con este efecto Zenón cuando el sistema cuántico con el que se trabaja es un qubit. Este qubit es una unidad que puede adoptar el valor 0 o 1, como un bit convencional usado en ordenadores, pero que tiene la costumbre de comportarse con las exóticas maneras de los sistemas cuánticos. Por eso los qubits son los ladrillos básicos de los futuros ordenadores cuánticos.

Aspecto de un qubit construido por C. Bassett y D. Awschalom. Son dispositivos artificiales que simulan el comportamiento cuántico de partículas (NATURE)

De vuelta al qubit, ocurre algo que no pasa con los bits. Cuando se preparan en el estado 1, la interacción con el entorno hace que el qubit vaya perdiendo energía e información, de modo que acabará decayendo al estado 0 con el paso del tiempo (cosa que no pasa con un bit, que sabe en todo momento cuál es su «estado»). Esta propiedad, conocida como decoherencia, es un obstáculo esencial para la computación cuántica.

Salvar la vida de un gato abriendo la caja

Y es aquí donde el efecto Zenón «puede venir al rescate». Porque cada vez que se observa el estado del qubit, podemos «reiniciar el juego». En cada ocasión en que medimos su estado, la opción más probable es encontrar el qubit en el estado 1. De esta forma, midiendo el estado muchas veces en poco tiempo tiene el efecto de congelar el sistema cuántico y permitirle que conserve su información. Es como abrir la caja muchas veces y en poco tiempo y salvar la vida del gato.

¿Por qué ocurre esto? Fundamentalmente, porque «medir» un sistema cuántico es lo mismo que decir que se hace interaccionar un sistema cuántico con otro que no lo es, lo que implica que se está perturbando al primero y haciéndole perder su extraña naturaleza. Esto, según García Ripoll, tiene implicaciones muy importantes en los pilares de la Física cuántica y arroja alguna luz sobre su complejidad. Además, comprenderlo puede ayudar a encontrar nuevas formas de controlar los sistemas cuánticos y, por lo tanto, dar un salto en toda la tecnología que depende de ellos.

Según el físico, ahora mismo las fronteras están en diseñar sistemas cuánticos cada vez mayores (por ejemplo, con muchas partículas «coordinadas» en el mismo estado), para tratar de comprender qué es lo que les diferencia de los sistemas macroscópicos, como los gatos o los autobuses de dos plantas. Se sabe que el entorno influye en las cosas que están formadas por muchas partículas y que hacen que estas «olviden» su comportamiento cuántico (por medio de la decoherencia), pero, ¿dónde está el límite? ¿Se podría crear un ordenador con miles de qubits que se comportaran de forma cuántica?

Y es aquí donde el efecto Zenón podría ser de utilidad, porque podría servir para conservar y «congelar» la información.

Kater Murch, investigador en la Universidad Washington en San Luis lo sabe, así que ha estado trabajando en este quebradero de cabeza. Ha trabajado con un átomo artificial (hecho a base de superconductores) que se comporta como un qubit, y los científicos han hecho que defina su estado al hacer una medida, como es habitual. Pero luego han ido más allá y sencillamente le han hecho definir este estado al hacer una medida falsa. ¿Cómo? Aplicando ruido artificial, y sin que el experimentador obtuviera información alguna, (a lo que pusieron el nombre de cuasimedida). Por eso, Murch ha demostrado que una cuasimedida provoca el efecto Zenón.

Pero, ¿qué es medir algo cuántico?

«En realidad, este experimento está explorando el concepto de “medida”», ha explicado García Ripoll. «Extiende la idea de que la medida en el fondo es poner en contacto sistemas cuánticos (como un grupo de átomos) con sistemas complejos (como un sensor, un termómetro, etc)».

De acuerdo con esto, si se abre la caja del gato de Schrödinger y no se comprueba si el gato está vivo o muerto, la información sobre su estado se pierde y se va hacia el Universo en forma de entropía (desorden). Pero si se abre la caja en numerosas ocasiones y se deja pasar poco tiempo, se podría salvar la vida del gato gracias al efecto Zenón. ¿Qué habría pensado el filósofo griego de este experimento? ¿Hasta dónde podrán llegar los físicos en su intento de comprender la extraña Física Cuántica y de diseñar, por ejemplo, los ordenadores del futuro?

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Un blog de ciencia para darle vueltas a las noticias más importantes y además recoger curiosidades y entrevistas con científicos. De vez en cuando, me gusta hablar de historia, otra de las cosas que me apasiona junto a las bacterias, las estrellas y las galaxias. Más sobre «De bacterias y batallas»

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