2F8Y7GF Spacetime Scifi Digital Arts Concept, Twist Clock Time Distortion Warp on Space Curved Curved as Hole representa el espacio y los tiempos de la teoría de Einstein

Los relojes podrían recibir una actualización cuántica

Crédito: Stock de calidad / Foto de stock de Alamy

El siguiente es un extracto de nuestro boletín Lost in Space-Time. Cada mes le damos el teclado a uno o dos físicos para que te cuenten ideas fascinantes de su rincón del universo. Regístrese aquí para Perdidos en el espacio-tiempo.

Los relojes regulan nuestras vidas, determinando cuándo dormimos y nos despertamos, si tomamos nuestro vuelo a casa y quién hace fortunas en Wall Street. Y así como los relojes nos gobiernan, gobiernan los dispositivos cuánticos.

Tome las computadoras cuánticas. Una parte fundamental de realizar un cálculo es realizar tareas específicas en momentos específicos. Los sistemas de control clásicos externos marcan el tiempo de las computadoras cuánticas actuales, pero un sistema de control que pudiera operar completamente dentro del dominio cuántico abriría nuevas posibilidades. Si dejamos volar nuestra imaginación, podríamos imaginar diminutos drones cuánticos que pueden manipular o entregar moléculas. Tales máquinas autónomas tendrían que llevar sus propios relojes, y esos relojes también tendrían que ser relojes cuánticos para evitar que las máquinas pierdan su carácter cuántico. Por ejemplo, las tecnologías cuánticas se benefician del entrelazamiento, fuertes correlaciones que sincronizan partículas cuánticas. Cuanto más interactuaba un dron cuántico con dispositivos ordinarios, más podía desenredarse su enredo.

La pregunta es, ¿podemos construir un reloj cuántico que haga el trabajo?

Antes de sumergirnos, debo aclarar que no es lo mismo un reloj cuántico autónomo que los llamados relojes atómicos que puedes comprar en las tiendas. Mis abuelos compraron un «reloj atómico» de este tipo y lo colgaron en su cocina, pero el suyo sería más exacto llamarlo «reloj de radio». Cada día, el reloj recibía señales de radio de un puesto avanzado del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) en Colorado y las sincronizaba con un reloj de alta precisión operado por NIST.

El reloj del NIST era un reloj atómico real, un reloj cuántico, pero cuyo controlador no existía completamente dentro del reino cuántico. Un reloj atómico contiene átomos que solo pueden contener ciertas cantidades de energía en paquetes discretos, como alguien que puede comer un paquete de chips pero no la mitad de un paquete. Un láser ilumina los átomos y un controlador externo mide cuántos átomos se han comido los paquetes crujientes del láser, por así decirlo. Si tiene muchos átomos, entonces la luz del láser se compone de partículas con la cantidad justa de energía, una cantidad que se puede calcular usando la teoría cuántica. La luz no solo consiste en partículas, sino que también tiene propiedades ondulatorias y oscila hacia arriba y hacia abajo, por así decirlo. El tiempo entre oscilaciones es una fracción calculable de segundo definida por la energía que los átomos pueden absorber. Así que medimos un segundo esperando que la luz del láser oscile un cierto número de veces. El controlador que mide la energía de los átomos no es cuántico, por lo que un reloj atómico no es el único reloj que necesitaremos para la era del steampunk cuántico.

El pionero de la física cuántica, Wolfgang Pauli, se ocupó de los relojes cuánticos, entre otras cosas, en la década de 1920. Los intereses de Pauli iban desde la física cuántica hasta la psicología y la filosofía, y su nombre ahora está asociado con el Principio de exclusión de Pauli, que rige cómo se organizan los electrones en los átomos. Se centró en conceptos simples pero fundamentales, y ¿qué es el tiempo si no es fundamental?

Pauli señaló que un reloj cuántico ideal tiene un tiempo «observable». Observable es el nombre físico de una propiedad medible de un sistema cuántico. Ejemplos de observables son la energía, la posición y el momento. El tiempo observable de un reloj cuántico ideal tiene un valor bien definido. ¿Cómo podría un observable No tienen un valor bien definido? Finalmente, tienes una energía, una posición y una dinámica bien definidas. Pero la ubicación cuántica y el momento participan en una relación de incertidumbre. Si una partícula cuántica tiene una posición bien definida, la partícula no tiene un momento bien definido; en la jerga cuántica, la partícula se encuentra en una superposición de todos los momentos posibles. Cuando mides el impulso, tu detector puede leer cualquier número positivo, cualquier número negativo o cero. El tiempo bien definido de un reloj cuántico ideal es análogo a la posición bien definida de la partícula; el reloj no estaría en una superposición de muchas veces.

Pero el tiempo y la energía participan en una relación de incertidumbre, al igual que el lugar y el impulso. Un sistema cuántico con un tiempo bien definido estaría por tanto en una superposición de todas las energías posibles. Además, la superposición se extendería igualmente a través de todas las energías posibles: si tuviera que medir la energía del reloj, su probabilidad de obtener un resultado posible sería igual a su probabilidad de obtener otro resultado posible.

energía negativa infinita

Pauli probó matemáticamente que ningún sistema cuántico puede tener un tiempo observable. Si un sistema hiciera esto, podría tener una cantidad infinita de energía negativa. Tener una cantidad infinita de energía negativa es imposible en nuestro mundo. Entonces, de acuerdo con la mecánica cuántica, nuestro mundo no ofrece observables de tiempo, o relojes cuánticos ideales.

Afortunadamente, no necesitamos un reloj cuántico ideal: un reloj cuántico que sea lo suficientemente bueno podría ser lo suficientemente bueno. Así como dibujar una forma redonda en una hoja de papel puede aproximarse a un círculo, un reloj cuántico puede aproximarse a uno ideal. Y tres colegas míos, Jonathan Oppenheim, Mischa Woods y Ralph Silva, lograron diseñar un reloj cuántico de este tipo.

Como me explicaron Jonathan y Mischa durante una visita a Londres en la primavera, su reloj teórico se encuentra en una aproximación del estado ideal del tiempo, con la superposición distribuida uniformemente sobre todas las energías. Su superposición se distribuye de manera desigual en un cierto patrón: cuando mide la energía del reloj, es más probable que obtenga algunos resultados que otros. Entonces, la energía del reloj aún es incierta, solo que no es máximamente incierta. Así el reloj no rompe con las leyes de la física a la Pauli.

Además, el reloj es bastante estable. Leer un reloj cuántico no es como leer un reloj clásico. Usarlo para determinar el tiempo desencadenaría un fenómeno cuántico contrario a la intuición: el ruido de medición. Puedes mirar un reloj todos los días sin que afecte la hora, al igual que un oficial de policía puede registrar la velocidad de tu auto sin que te des cuenta (de ahí la existencia de multas por exceso de velocidad). Pero los sistemas cuánticos son más sensibles que los sistemas cotidianos. Cuando mide, o interactúa con un sistema cuántico, lo perturba y cambia su estado. Si mide la energía del sistema, es probable que cambie su energía.

Leer la hora de un reloj cuántico no afectaría el cronometraje si el reloj fuera ideal. Pero un reloj imperfecto se deterioraría con el tiempo, reduciendo nuestra capacidad de distinguir los momentos. Es como si estuviera mirando un reloj de pie a través de lentes cada vez más borrosos: las 6 en punto se fusionan con las 5:59 y las 6:01, luego las 5:58 y las 6:02. El ruido también dificulta la capacidad del reloj para iniciar procesos, como puertas lógicas en un cálculo, en los momentos deseados.

¿Qué tan bien podría resistir el reloj de Mischa, Ralph y Jonathan tales perturbaciones? No está mal, se podría decir, canalizando a mis colegas del Reino Unido. Imagine que el reloj crece: agregue partículas, aunque no tantas como para que el reloj pierda su naturaleza cuántica. Cuanto más grande es el reloj, más resistente es. Y si das poco, obtienes mucho: a medida que crece el reloj, su resistencia crece exponencialmente.

Hasta ahora, tales propiedades siguen siendo teóricas, y los científicos han luchado para construir incluso computadoras cuánticas controladas externamente, y mucho menos autónomas. Pero el control de los experimentos en sistemas cuánticos ha evolucionado rápidamente durante las últimas tres décadas y no muestra signos de desaceleración. ¿Los relojes autónomos permitirán que las computadoras cuánticas y otras máquinas funcionen de manera independiente? Ya sea medido por un reloj cuántico o un reloj cotidiano, el tiempo lo dirá.

Nicole Yunger Halpern encabeza lo que podría decirse que es el grupo de investigación con mejor nombre del universo: The Quantum-Steampunk Laboratory. Su trabajo consiste en reinterpretar la termodinámica para la era cuántica. La física de las máquinas de vapor y la maquinaria industrial se elaboró ​​aproximadamente un siglo antes de que cristalizara la teoría cuántica en la década de 1920, y casi dos siglos antes de que las nuevas empresas tecnológicas comenzaran a usar la física cuántica para construir computadoras y sensores, por lo que ellos y su equipo creen que la termodinámica ahora se debe a una actualización.

Más sobre estos temas:

DEJA UNA RESPUESTA

Por favor ingrese su comentario!
Por favor ingrese su nombre aquí