La física y el alma inmortal

Yo soy el dueño de mi destino; yo soy el capitán de mi alma.

William Ernest Henley

Desde Scientific American’s Guest Blog
Por Sean M. Carroll
Traducción: KC

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El tema de la «vida después de la muerte» plantea connotaciones de mala reputación de la regresión a vidas pasadas y mansiones embrujadas, pero hay un gran número de personas en el mundo que creen en alguna forma de persistencia del alma individual después del fin de la vida. Es evidente que esta es una pregunta importante, una de las más importantes que podamos pensar en términos de relevancia para la vida humana. Si la ciencia tiene algo que decir al respecto, todos deberíamos estar interesados ​​en escuchar.

Adam Frank piensa que la ciencia no tiene que decir nada al respecto. Él aboga por ser «firmemente agnóstico» sobre la cuestión (decididamente su coblogger Alva Noë no está de acuerdo). Tengo un enorme respeto por Adam; es un hombre inteligente y un pensador cuidadoso. Cuando no estamos de acuerdo es con el tipo de diálogo respetuoso que debería ser un modelo para estar en desacuerdo con la gente que no está loca. Pero aquí Adam no podía estar más equivocado.

Adam afirma que «simplemente no hay información controlada y experimentalmente verificable» sobre la vida después de la muerte». Aplicando este razonamiento, no hay información controlada, experimentalmente verificable acerca de si la Luna está hecha de queso verde. Claro, podemos tomar los espectros de luz que se refleja desde la Luna, e incluso enviar astronautas allá arriba y traer muestras para su análisis. Pero eso es sólo arañar la superficie, por así decirlo. ¿Y si la Luna está hecha casi toda de queso verde, pero se cubre con una capa de polvo de pocos metros de grosor? ¿Se puede realmente decir que sabemos que esto no es cierto? Hasta que no se hubiese examinado cada centímetro cúbico de interior de la Luna, en realidad no se podría decir que se tiene información verificable experimentalmente ¿verdad? Así que tal vez el agnosticismo en el tema del verde queso está garantizado. (Vayamos con toda la información que realmente se tiene sobre la Luna, y prometo que puede encajar en la hipótesis del queso verde.)

Obviamente esto es una completa locura. Nuestra convicción de que el queso verde puede representar una fracción insignificante del interior de la Luna no proviene de la observación directa, sino de la incompatibilidad total de esa idea con otras cosas que creemos saber. Habida cuenta de lo que entendemos sobre las rocas y los planetas y los productos lácteos y el Sistema Solar, es absurdo imaginar que la Luna está hecha de queso verde. Eso lo sabemos mejor.

También sabemos mejor el asunto de la vida después de la muerte, aunque las personas son mucho más reacias a admitirlo. Es cierto que la evidencia «directa» de un modo u otro es difícil de obtener – todo lo que tenemos son algunas leyendas y afirmaciones incompletas de testigos no fiables con experiencias cercanas a la muerte, además de una cubeta llena de ilusiones. Pero sin duda que está bien tener en cuenta la evidencia indirecta – es decir, la compatibilidad de la idea de que alguna forma de nuestra alma individual sobrevive a la muerte con otras cosas que sabemos sobre cómo funciona el mundo.

Las afirmaciones de que alguna forma de conciencia persiste después de que nuestro cuerpo muere y se descompone en sus átomos constituyentes enfrenta un enorme obstáculo insalvable: las leyes de la física subyacente a la vida cotidiana se conocen con exactitud, y no hay forma de que dentro de esas leyes se permita que la información almacenada en nuestros cerebros persista después de la muerte. Si usted afirma que algún tipo de alma persiste más allá de la muerte ¿podría decir algo sobre las partículas que conforman el alma? ¿Qué fuerzas las mantienen juntas? ¿Cómo interactúan con la materia ordinaria?

(Nota de KC: Este tipo de preguntas o condiciones para la persistencia del alma después de la muerte se revisan en forma somera en una de las primeras entradas de este blog titulada Requisitos racionales para la Reencarnación)

Todo lo que sabemos acerca de la teoría cuántica de campos (TCC) nos dice que no hay respuestas sensatas a estas preguntas. Por supuesto, todo lo que sabemos acerca de la teoría del campo cuántico podría estar equivocado. Además, la Luna podría estar hecha de queso verde.

Entre los defensores de la vida después de la muerte, nadie hace el intento (o el esfuerzo) de sentarse y hacer el trabajo difícil de explicar cómo la física básica de los átomos y los electrones tendrían que ser alteradas para que esto sea cierto. Si lo intentamos, el absurdo fundamental de la tarea rápidamente se hace evidente.

Incluso si usted no cree que los seres humanos son «simples» colecciones de átomos evolucionando e interactuando de acuerdo con las normas establecidas en el Modelo Estándar de física de partículas, la mayoría de las personas han llegado a aceptar que los átomos forman parte de lo que somos. Si en realidad todo es átomos y las bien conocidas fuerzas, es evidente que no hay manera de que el alma sobreviva a la muerte. Creer en la vida después de la muerte, por decirlo suavemente, requiere una física más allá del Modelo Estándar. Lo más importante es que se necesitaría de alguna forma que «la nueva física» interactúe con los átomos que tenemos (para recibir la información de nuestras vivencias almacenadas en la memoria de nuestro cerebro, hecho de átomos «normales», nota de KC).

Muy a grandes rasgos, cuando la mayoría de la gente piensa acerca de un alma inmaterial que persiste después de la muerte, tienen en mente una especie de burbuja de energía espiritual que tiene su residencia cerca de nuestro cerebro, y pasa alrededor de nuestro cuerpo como una madre de casa manejando su camioneta deportiva. Las preguntas son: ¿qué forma debe tomar la energía espiritual, y cómo interactúa con nuestros átomos ordinarios? No sólo es necesaria una nueva física, sino una física radicalmente nueva. Dentro de la TCC, no puede haber una nueva colección de «partículas de espíritu» y «fuerzas espirituales» que interactúan con nuestros átomos ordinarios, porque los habría detectado en los experimentos existentes. La navaja de Ockham no está de ese lado, ya que habría que plantear un reino completamente nuevo de la realidad, obedeciendo a reglas muy diferentes de las que conocemos.

Pero digamos que usted hace eso. ¿Cómo se supone que la energía espiritual interactúa con nosotros? Esta es la ecuación que nos dice cómo se comportan los electrones en el mundo cotidiano:

No se preocupe por los detalles, lo que importa es el hecho de que la ecuación existe, no su forma particular. Es la ecuación de Dirac – los dos términos a la izquierda son más o menos la velocidad del electrón y su inercia – junto con el electromagnetismo y la gravedad, los dos términos a la derecha.

En cuanto a cada uno de los experimentos realizados se trata, esta ecuación es la descripción correcta de cómo se comportan los electrones a energías cotidianas. No es una descripción completa, no hemos incluido la fuerza nuclear débil, o enlaces a las partículas hipotéticas como el bosón de Higgs. Pero eso está bien, ya que esos sólo son importantes a altas energías y/o de corta distancia, muy lejos de ser el régimen de importancia para el cerebro humano.

Si usted cree en un alma inmaterial que interactúa con nuestro cuerpo, necesita creer que esta ecuación no está bien, incluso en las energías cotidianas. Es necesario que haya un nuevo término (como mínimo) a la derecha, que represente cómo interactúa el alma con los electrones (si el término no existe, los electrones acaban por seguir su camino como si no hubiese un alma para nada, y entonces ¿qué sentido tiene?). Así que cualquier científico respetable que tome en serio esta idea estaría preguntado ¿qué forma debe tomar esta interacción? ¿Es local en el espacio-tiempo? ¿Respeta el alma invariancia de norma y la invariancia de Lorentz? ¿El alma tiene un Hamiltoniano? ¿Las interacciones preservan la unitariedad y la conservación de la información?

Nadie hace estas preguntas en voz alta, posiblemente debido a lo tonto que suenan. Una vez que se empieza a preguntar, la elección a la que nos enfrentamos se hace evidente: o descartamos todo lo que pensamos que hemos aprendido acerca de la física moderna, o desconfiamos de la línea religiosa/testimonios poco fiables/ilusiones que hacen que la gente crea en la posibilidad de la vida después de la la muerte. No es una decisión difícil, en lo que respecta a escoger la teoría científica.

No elegimos teorías en el vacío. Se nos permite – de hecho, se nos exige – preguntar cómo las afirmaciones acerca de cómo funciona el mundo encajan con otras cosas que sabemos sobre cómo funciona el mundo. He estado hablando aquí como un físico de partículas, pero hay una línea similar de razonamiento que proviene de la biología evolutiva. Es de suponer que los aminoácidos y las proteínas no tienen almas que prevalezcan después de la muerte. ¿Qué pasa con los virus o las bacterias? ¿En qué momento de la línea de la evolución de nuestros antepasados monocelulares hasta hoy los organismos dejaron de ser descritos simplemente como átomos interactuando con la gravedad y el electromagnetismo, y desarrollaron un alma inmortal inmaterial?

No hay razón para ser agnóstico acerca de las ideas que son radicalmente incompatibles con todo lo que sabemos acerca de la ciencia moderna. Una vez que sobrepasemos cualquier renuencia a enfrentar la realidad sobre este tema, podemos llegar a preguntas mucho más interesantes de cómo los seres humanos y la conciencia realmente funcionan.

El cerebro humano y el número de universos en un multiverso

El hombre es un pedazo del universo hecho vida.

Ralph Waldo Emerson

Desde New Scientist
Por Amanda Gefter
Traducción: KC

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¿Cuántos universos hay? Los cosmólogos Andrei Linde y Vitaly Vanchurin de la Universidad de Stanford en California calculan que el número empequeñece los 10⁵⁰⁰ universos postulados en la teoría de cuerdas, y eleva el provocativo concepto de que la respuesta puede depender del cerebro humano.

La idea de que hay más de un universo, cada uno con sus propias leyes de la física, surge de varias teorías diferentes, incluyendo la teoría de cuerdas y la inflación cósmica. Este concepto de «multiverso» podría explicar un misterio desconcertante – ¿Por qué la energía oscura, la furtiva fuerza que está acelerando la expansión del espacio, parece improbablemente afinada para la vida?. Con un gran número de universos es probable que haya uno que tenga un valor de la energía oscura como en el nuestro.

Calculando la probabilidad de observar este valor – y otras características del cosmos – depende de cuantos universos de distintos tipos habitan el multiverso. La teoría de cuerdas describe 10⁵⁰⁰ universos, pero sólo contabiliza los diferentes estados de vacío, que son como los lienzos en blanco en el que están pintados los universos. Las características de cada lienzo determinan como  se verá el cuadro general – tal como las leyes de la física en ese universo – pero no los detalles.

Gracias a la aleatoriedad de la mecánica cuántica, dos estados de vacío idénticos pueden acabar como universos muy diferentes. Pequeñas fluctuaciones cuánticas en el universo primitivo se extienden a escalas astronómicas por la inflación, el período de expansión más rápido que la luz justo después del Big Bang. Estas fluctuaciones establecen un modelo gravitacional que finalmente determina la colocación de las estrellas y galaxias en el cielo. Pequeñas diferencias en la forma de estas fluctuaciones pueden producir un universo en el que la Vía Láctea es ligeramente más grande, o más cercana a sus vecinas.

Así que ¿cuántos de estos universos diferentes pueden producir las fluctuaciones cuánticas de la inflación? De acuerdo con Linde y Vanchurin, el total es de aproximadamente 10^1010,000,000 – esto es 10 elevado a un número que finaliza con 10 millones de ceros (arxiv.org/abs/0910.1589). De pronto, el multiverso de la teoría de las cuerdas de 10⁵⁰⁰ universos parece más bien claustrofóbico.

Podría ser, sin embargo, que este número sea irrelevante, y que en un mundo gobernado por la física cuántica, lo que importe es cuántos universos puede distinguir un solo observador. «Antes de la mecánica cuántica», dice Linde, «pensábamos que la realidad era una palabra bien definida». En la física clásica, los observadores son irrelevantes – simplemente queremos saber cuántos universos existen.

Es posible que no importe cuántos universos existen, sino cuántos puede diferenciar un solo observador.

Según la física cuántica, los observadores afectan los sistemas que miden (ver «visión restringida»). Si los observadores son una parte integrante de la fórmula cósmica, entonces es posible que no importe cuántos universos existen, sino cuántos puede diferenciar un solo observador Si el observador es una persona, eso depende de la cantidad de bits de información que su cerebro puede procesar. «Basado en el número de sinapsis en un cerebro normal, un observador humano puede registrar 10¹⁶ «, dice Linde. Eso significa que los seres humanos pueden diferenciar 10¹⁰¹⁶ universos, que es mucho más manejable que los 10^1010,000,000 que Linde y Vanchurin encontraron, para empezar.

¿Pero el cerebro humano realmente desempeña un papel en la realización de predicciones en el multiverso? «Esto va más profundo en la filosofía», dice Linde. «Es una pendiente resbaladiza».

Alex Vilenkin cosmólogo de la Universidad de Tufts en Boston, es igualmente ambivalente. «Podría estar bien que lo importante sea lo que un observador ve,», dice. «Pero hay cosas que un observador podría no ver, que todavía están allí.»

Visión restringida

La teoría cuántica divide el mundo en dos partes: el sistema en estudio y el resto del mundo, que contiene al observador. El sistema se cierne en un estado fantasmal cercano a la existencia formado por un sinfín de posibilidades hasta que el observador hace una medición – y lo reduce a una sola realidad.

La cosmología sufre la paradoja de que ningún observador puede estar fuera del universo – por lo que el universo está condenado a pasar la eternidad como sólo una vaga posibilidad. La lección de la cosmología cuántica es que no podemos hablar del universo como un todo, sino sólo lo que un observador dado en su interior puede medir. Aplicando esa lección al multiverso, Andrei Linde y Vitaly Vanchurin sugieren que lo que importa no es el número total de universos posibles, sino el número de universos un solo observador podía distinguir.

Si ese observador es un ser humano, su cerebro limita la cantidad de información que puede registrar. Pero cualquier observador – incluso alguien inanimado como una galaxia – está limitado en la información que puede almacenar. Estas limitaciones en lo que los observadores pueden medir reduce gradualmente el número de universos que entran en juego en las predicciones cosmológicas. Esto significa que un observador podría hacer una diferencia en la explicación del valor de las cosas, como la energía oscura.

La teoría de cuerdas da una explicación para la superconductividad

El corazón humano es un instrumento de muchas cuerdas; el perfecto conocedor de los hombres las sabe hacer vibrar todas, como un buen músico.

Charles Dickens

Desde Nature
Por Eric Hand
Traducción: KC

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Hasta hace poco, la teoría de las cuerdas – largamente anunciada como una «teoría del todo» – no había sido especialmente buena en explicar nada.

Sin embargo, este mes en un taller del Instituto Kavli de Física Teórica de Santa Bárbara, California, los científicos han estado utilizando la teoría para avanzar en la solución de uno de los mayores rompecabezas en física de materia condensada: el origen de la superconductividad de alta temperatura.

La teoría de cuerdas sugiere que cuerdas vibrantes que existen en 10 dimensiones sustentan el universo observable. A pesar de que la premisa básica sigue siendo muy dudosa – y hasta ahora imposible de probar experimentalmente – algunas de las herramientas matemáticas utilizadas en la teoría de las cuerdas en los últimos años se han aplicado para describir el comportamiento del plasma de partículas calientes y celosías de los átomos superenfriados.

La última afirmación de la teoría de las cuerdas es que es una herramienta clave para explicar el comportamiento normal de los materiales que conducen electricidad sin resistencia a temperaturas relativamente altas. La teoría convencional que explica la superconductividad a temperaturas cercanas al cero absoluto está bien desarrollada -, pero la teoría que explica el comportamiento de una segunda clase de materiales, que pueden superconducir a temperaturas de hasta 70 K, sigue siendo una especie de misterio. Al explicar el para los regímenes más fríos de la materia condensada. Las mismas herramientas de la teoría de cuerdas han contribuido a explicar el comportamiento normal de estos materiales justo por encima de su temperatura de superconducción, los teóricos de cadenas esperan conseguir un mejor manejo de superconductividad de alta temperatura en sí.

«Esto sugiere que estamos al borde de la comprensión de un nuevo estado de la materia mediante una descripción de la teoría de cuerdas», dice Subir Sachdev, un teórico de materia condensada en la Universidad de Harvard en Cambridge, Massachusetts, que co-organizó el taller. En el taller, Sachdev y sus colaboradores distribuyeron un artículo, todavía ni siquiera en preimpresión, en el que proponen un modelo de teoría de cuerdas para la supercondución de alta temperatura.

Encontrar nuevas aplicaciones de la matemática de la teoría de las cuerdas es un nuevo impulso para el campo, dice el investigador postdoctoral de la Universidad de Harvard Sean Hartnoll, otro taller de co-organizador. «Ahora tiene la sensación de ser un crisol de ideas».

Complejidad Barroca

La teoría de las cuerdas que comenzó a finales de los años 1960 como un instrumento para explicar la fuerza fuerte entre las partículas nucleares, pero fue sustituido en la década de 1970 por la más exitosa teoría de cromodinámica cuántica (QCD). La teoría de las cuerdas continuó en su propia dirección, adquiriendo capas cada vez más barrocas de complejidad matemática. Algunos físicos encontraron el anatema de que la única forma en que sus resultados podrían ser comprobados requería energías muy superiores a las que se obtenían en aceleradores de partículas.

Pero en 2005, la teoría de cuerdas encontró su camino, aunque indirectamente, en un acelerador: el Colisionador Relativista de Iones Pesados (RHIC) en el Brookhaven NationalLaboratory de Nueva York. Los científicos descubrieron que la teoría de las cuerdas podría ser tan útil como QCD en la explicación de la fuerza nuclear fuerte involucrada en un plasma quark-gluon. Este nuevo estado de la materia, que comprende los componentes básicos de los protones y los neutrones, se creó en la masa caliente de iones de oro generados en el RHIC. La clave de este descubrimiento fue una técnica matemática de la teoría de las cuerdas que encarna los principios de la holografía, en la que la información contenida en una dimensión superior puede ser embebida en un menor número de dimensiones – como una imagen tridimensional se puede almacenar en un holograma plano de dos dimensiones.

Desde entonces, investigadores como Sachdev y Hartnoll han ampliado las técnicas holográficascomportamiento cuántico de los puntos críticos – los cambios en la materia enfriada cerca de cero absoluto, cuando los efectos de la mecánica cuántica empiezan a dominar su comportamiento.

Esto a su vez ha permitido a los físicos describir el comportamiento cuántico de una variedad de sistemas, incluido el inducidas las celosías de átomos superenfriados inducidas por láser, y ahora la superconductividad de alta temperatura.

El renombrado crítico de la teoría de las cuerdas Peter Woit, un matemático de la Universidad de Columbia en Nueva York, dice que el uso de la teoría de las cuerdas como un instrumento de esta forma podría ser útil, pero no son evidencias de la teoría de las cuerdas en sí. «El hecho de que un modelo funcione en un contexto, no significa que se puede conseguir unificar la física y obtener una teoría fundamental de la realidad», dice.

Joseph Polchinski, teórico de cuerdas en el Kavli Institute y organizador de la tercera conferencia, sostiene que si las mismas herramientas de la teoría de cuerdas que se utilizan para describir los agujeros negros pueden ayudar a explicar el comportamiento de los electrones en un metal, el uso cruzado permitirá aplicaciones de la teoría de las cuerdas en un área que beneficiará a otros campos

La emoción es contagiosa, agrega. El instituto recibió 110 solicitudes para sólo 30 lugares en el seminario – el taller más a fondo en su historia. Una hazaña teniendo en cuenta que cuando se organizó hace 18 meses había menos de una docena de trabajos publicados sobre el tema. «Fue claramente una buena apuesta», dice Polchinski. «Es evidente que hay nueva e interesante ciencia aquí».

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Teleportación de información cuántica entre átomos a gran distancia

Beam me down, Scotty.

Capitán Kirk

Nuestro sistema tiene el potencial para formar la base de un «repetidor cuántico» a gran escala, que puede interconectar la memoria cuántica a distancias más grandes.

Christopher Monroe, de la Universidad de Maryland

Desde Physics World
Por: James Dacey
Traducción: KC

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Los físicos por primera vez han logrado teletransportar información cuántica entre dos átomos separados por una distancia significativa. Hasta ahora esta hazaña sólo se había logrado entre fotones, y entre dos átomos cercanos a través de la acción de un tercero. Según los investigadores, este avance podría ser un hito importante en la búsqueda de un ordenador cuántico viable.

La teleportación cuántica es una forma de transporte disponible únicamente para las partículas en la escala atómica y subatómica. Información tal como el spin de una partícula o la polarización de un fotón se puede transferir entre partículas sin viajar a través de un medio físico. La teleportación es posible gracias a la característica de la mecánica cuántica llamado «entrelazamiento».

Según la mecánica cuántica, cuando las partículas se entrelazan, el acto mismo de medir el estado cuántico de una partícula instantáneamente revela información sobre el estado de la segunda. En teoría, este efecto debe ocurrir independientemente de la distancia entre las partículas. En la práctica, es muy difícil de observarlo debido a influencias externas: si las partículas interactúan con el medio ambiente sin control o si intentas registrar directamente dos estados cuánticos, el entrelazamiento desaparece.

Ahora, investigadores de la Universidad de Maryland y la Universidad de Michigan han teletransportado información cuántica entre dos iones de Iterbio, separados por un metro, informando un 90 por ciento la tasa de éxito. Emplean un nuevo método de teletransporte en el que los iones son estimulados para emitir fotones y los estados cuánticos se infieren a partir de el color de estas emisiones (Science 323 486).

«Nuestro sistema tiene el potencial para formar la base de un «repetidor cuántico» a gran escala, que puede interconectar la memoria cuántica a distancias más grandes», dijo el líder del grupo Christopher Monroe, de la Universidad de Maryland.

Doble entrelazamiento

En la teleportación cuántica el remitente (Alice) instantáneamente transfiere el estado cuántico de una partícula a un receptor (Bob). En 1997 los físicos lograron la teleportación de estados cuánticos entre fotones por primera vez. Sus métodos explotaron el principio de incertidumbre: Alice no podía conocer el estado exacto de su fotón, pero el efecto de entrelazamiento significaba que podría teletransportar su estado a Bob.

Luego, en 2004, equipos separados de físicos en el National Institute of Standards and Technology (NIST) en Colorado y la Universidad de Innsbruck en Austria demostraron por primera vez la teletransportación en la escala atómica. Usando métodos ligeramente diferentes, transfirieron información del spin entre pares de iones atrapados en un potencial armónico. Lamentablemente, la teleportación – usando estos métodos – se limita a distancias muy cortas debido a que los potenciales armónicos tienen escala molecular.

Ahora Monroe y su equipo han llevado el teletransporte en una dirección diferente. En primer lugar, aislaron los átomos de Iterbio en trampas de vacío separadas, rodeadas por campos electromagnéticos. Cada ion – en su estado base – es irradiado con una ráfaga de microondas que pone los iones en una superposición de dos estados cuánticos diferentes. A continuación, un breve pulso de luz láser excita cada ion que posteriormente les lleva a emitir fotones cuyo color es una superposición de rojo y azul – vinculados con los dos estados cuánticos disponibles.

Los fotones son ¿de color rojo o azul?

Una vez generados, estos fotones se dirigen entonces hacia un separador de haces donde tienen las mismas posibilidades de pasar a través o de reflejarse. Hay un detector a cada lado del separador. Según los investigadores, una combinación rojo-azul detectada exactamente al mismo tiempo es una clara señal de que los átomos de Iterbio se entrelazaron. Cuando esto ocurre, los investigadores de inmediato regresan a los iones al estado en el que determinan los estados cuánticos mediante un proceso conocido como tomografía cuántica.

«Un aspecto particularmente interesante de nuestro método es que combina las ventajas únicas de ambos átomos y fotones», señaló Monroe. «Los fotones son ideales para la transferencia de información rápida a través de largas distancias, mientras que los átomos ofrecen un valioso medio para la memoria cuántica durable.»

El siguiente paso de esta investigación es mejorar aún más la tasa de éxito de las mediciones. «Estamos buscando poner una cavidad óptica alrededor de cada átomo – que podría proporcionar mejoras en órdenes de magnitud en la tasa de éxito del sistema», dijo Steven Olmschenk, un miembro del equipo de investigación.

Boris Blinov en la Universidad de Washington dijo, «Olmshenk y sus colegas han generado un entrelazamiento y lo utilizaron para teleportar datos cuánticos en lo que considero el más prometedor candidato ‘qubit ‘[bit cuántico] – el sistema de iones atrapados». Él agregó: «Estamos a un paso más cerca de nuestro objetivo difícil de alcanzar».

Un experimento que demuestra la teoría de un laureado Nobel

Los físicos han dado un paso importante hacia la «ingeniería de estados cuánticos»

Desde Physics World
Por: Amish Johnston
Traducción: KC

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Una propiedad de la luz láser predicha por primera vez en 1963 por quien sería Premio Nobel, Roy Glauber, ha sido verificada por los físicos en Italia.

Marco Bellini y sus colegas de la Universidad de Florencia han demostrado que si un fotón se quita de un haz de luz coherente de láser, la luz permanece en el mismo estado coherente. Según Bellini, la capacidad de eliminar los fotones de la luz de esta manera podría utilizarse para desarrollar la información cuántica y los sistemas de metrología cuántica.

A pesar de que se compone de muchos fotones, la salida de un láser puede ser a menudo descrito como un único estado cuántico (o coherente). ¿Qué hizo Glauber en 1963 – cinco años después del primer láser fue construido – era utilizar la electrodinámica cuántica para demostrar que la suma y resta de fotones individuales de luz coherente en no afectar a su coherencia. Cambiar el número de fotones sólo cambia la amplitud de la viga.

Vuelta de Tuerca en el laboratorio

Verificar esta predicción en el laboratorio no ha resultado nada sencillo, porque es muy difícil quitar de un haz sólo un fotón a la vez. Otro gran problema ha sido la medición actual de la coherencia del haz antes y después de que el fotón se ha eliminado.

Hace unos cinco años, sin embargo, Bellini y sus colegas empezaron a desarrollar una forma única de eliminación de fotones de un rayo láser. En sus experimentos, que informaron en la Nueva Revista de Física, un relativamente intenso haz de láser en primer lugar se hace pasar a través de un divisor de haz muy reflexivo, que desvía la mayor parte de la luz en un haz de referencia coherente.

El resto de la luz viaja en línea recta a través del divisor del haz y surge como un haz relativamente débil, pero todavía coherente. Este haz se envía a través de un segundo divisor de haz, que es extremadamente ineficiente y sólo de vez en cuando desvía un fotón fuera del haz hacia un detector muy sensible (véase «Un fotón fuera»). Cuando el detector hace «clic», el equipo puede estar bastante seguro de que sólo un fotón se ha eliminado del haz.

Escuchando un clic

En su estudio más reciente, el equipo buscó después por cambios en la coherencia del haz por recombinación con el haz de referencia en un interferómetro. Con cada «clic» exitoso, el interferómetro se utiliza para medir un aspecto diferente de la fase y la amplitud del haz. Estos datos son luego analizados mediante una técnica llamada tomografía de estado cuántico, lo que da el estado cuántico completo de la luz.

El equipo encontró que la eliminación de un fotón de la luz no cambia su estado coherente – verificando la predicción de Glauber de 1963.

En experimentos similares Bellini y sus colegas han trabajado en una manera de añadir un único fotón a un estado coherente, y han confirmado otro pilar de la óptica cuántica llamado «no-conmutatividad» – que la eliminación de un fotón de un estado coherente y, a continuación, añadiendo un fotón no es lo mismo que la adición de un fotón y, a continuación, la eliminación de un fotón.

Como resultado, el equipo ha montado una «caja de herramientas» para la óptica cuántica, que incluye operadores de «creación» y «aniquilación» que añaden y eliminan fotones, y establecido la no-commutatividad de estos operadores. También han demostrado que un estado coherente es un «eigen estado» del operador de aniquilación que demuestra que el estado no se ve alterado por la eliminación de un fotón.

Bellini dijo que estas herramientas deben permitir a los físicos realizar la ingeniería de estados ópticos cuánticos que están optimizados para una amplia gama de aplicaciones tales como la medición de cambios muy pequeños en la distancia o la transmisión segura de información cuántica.