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La probabilidad de que algo no ocurra revoluciona la medición cuántica

La probabilidad de que algo no ocurra revoluciona la medición cuántica

El universo cuántico no es solo un universo de probabilidades indeterminadas, sino también negativas: la probabilidad de que algo no ocurra puede incorporarse a los dispositivos de medición y describir con precisión inédita lo impredecible.

La metrología moderna nació con la revolución francesa: no solo pretendió reconstruir la sociedad sobre modelos igualitarios, sino también poner fin a un sistema de medición regido por los mandatos de los reyes y edificarlo sobre las leyes de la naturaleza.

Fue un hito en la historia de la metrología, la ciencia que estudia las mediciones de las magnitudes, que alcanzó un nuevo nivel con la mecánica cuántica: según explica el profesor Miguel Á. Martín Delgado, de la UCM, es la teoría física más “metrológica” que existe.

La mecánica cuántica ha vivido dos revoluciones desde sus inicios: la primera derivada del descubrimiento y aplicaciones de las leyes que rigen el mundo subatómico, la segunda derivada de la capacidad recién adquirida de manipular los efectos cuánticos en sistemas y materiales.

Fruto de esta segunda revolución cuántica son las tecnologías conocidas como metrología cuántica, sensores cuánticos, criptografía cuántica, simulación y computación cuántica.

La metrología cuántica realiza mediciones de alta resolución de parámetros físicos utilizando la mecánica cuántica, especialmente el así llamado entrelazamiento cuántico: la extraña facultad de las partículas elementales de reflejar cambios simultáneos si han estado entrelazadas previamente.

Nueva forma de medida: la negatividad cuántica

Una investigación de las universidades de Cambridge, Harvard y el MIT, añade ahora una nueva forma de medida a la metrología cuántica: la negatividad cuántica.

La idea se basa en la matemática intuitiva, o inspirada en los procesos físicos: si el mundo cuántico es un universo de probabilidades indeterminadas, podemos medirlo más fielmente si incorporamos nuevos conceptos.

Ese nuevo concepto lo denominan negatividad cuántica y se refiere a la posibilidad de explicar en un lenguaje matemático intuitivo las dos cualidades principales del mundo cuántico, la aludida superposición cuántica y la dualidad onda partícula: la otra cualidad de las partículas cuánticas de comportarse indistintamente como ondas o partículas.

Siguiendo este razonamiento, la negatividad cuántica permite realizar mediciones de probabilidades negativas, tal como explican los investigadores en un comunicado: teniendo en cuenta las características del mundo cuántico, la probabilidad de que un átomo se encuentre en una determinada posición y viaje con una velocidad específica no siempre podría ser alta, baja o nula, sino que también podría ser negativa, como por ejemplo de menos del 5%.

Mayor precisión de lo impredecible

Los investigadores destacan que incorporar esta probabilidad negativa potencia la capacidad de medición del universo cuántico y abre nuevos horizontes a aplicaciones no menos prometedoras.

Explican que en el universo cuántico no valen las sondas que se usan en el mundo clásico para medir los objetos: un dispositivo se dispara al hacer contacto con una superficie y proporciona sus datos geométricos.

En el universo cuántico las sondas que pueden ayudar a medir lo impredecible son las mismas partículas elementales: están hechas para interactuar con la onda o partícula que se está midiendo.

Y como pueden controlarse a nivel subatómico, estas partículas cuánticas pueden ser analizadas por un dispositivo de detección específico y ofrecer una perspectiva rigurosa e inédita del universo cuántico en ebullición.

De esta forma se consigue algo imposible en el mundo físico: lo impredecible se puede medir con una precisión insospechada.

Probabilidad negativa

Los investigadores han adaptado la teoría matemática de la comunicación de los años 40 del siglo pasado para introducir la negatividad cuántica en la medición y representación de la información.

Y han observado una ventaja adicional: usando la negatividad cuántica, los dispositivos de detección de las partículas elementales pueden procesar mucha más información al incorporar en su análisis la probabilidad negativa presente en el sistema cuántico. Condensan la información y ofrecen así mediciones más precisas.

De momento se trata solo de resultados teóricos con los que los investigadores pretenden obtener mediciones increíblemente precisas de los componentes ópticos, de los que dependen los ordenadores cuánticos fotónicos.

Pero las posibilidades son mucho más amplias, con aplicaciones para medir de una forma completamente nueva y precisa los cambios en los campos magnéticos o eléctricos, o la detección de ondas gravitacionales.

Y una última ventaja: para la mayoría de las aplicaciones, la metrología cuántica ha sido hasta ahora demasiado costosa e inalcanzable. Esta investigación ofrece una forma más barata de hacer metrología cuántica.

Referencia

Quantum advantage in postselected metrology. David R. M. Arvidsson-Shukur et al. Nature Communications volume 11, Article number 3775 (2020). DOI :https://doi.org/10.1038/s41467-020-17559-w

 

Foto: Un láser de punto cuántico se proyecta sobre una molécula química y atraviesa un detector cuántico que analiza la información del objeto y depura la probabilidad negativa. La cámara (a la derecha en primer plano) capta la imagen resultante de la molécula con una precisión inédita. Crédito: Hugo Lepage, Universidad de Cambridge.

Eduardo Martínez de la Fe

Eduardo Martínez de la Fe, periodista científico, es el Editor de Tendencias21.

4 comentarios

  • Tiene su logica(cuántica), pues la realidad se construye, tanto por las opciones que hacemos a diario(de hacer, o no hacer algo, ambos sucesos, crean consecuencias a largo plazo), multiplicadas por 7.600 millones de seres humanos +el mundo animal, + todo el resto de vida, y materia inerte, +el azar+las leyes del Caos, esto en nuestro pequeño planeta, leyes que rigen por todo el universo, donde no existe la vida, y donde sí la hay (la vida en nuestro universo, es lo común, no una excepción, pero somo tan hedonistas, que creemos que no hay más vida que en este planeta, y el resto del universo, con sus quintillones, septillones de soles, y mundos, estan deshabitado, somos(o creemos ser, así nos lo contaron), «hijos de un dios, que se sacrifico por nuestros pecados», así «el homo sapiens, sapiens» (autodenominado así) es único!

  • Esto me hace pensar, intuitivamente, en la existencia de un semi-campo cuántico de indeterminaciones positivas y otro semi-campo cuántico de indeterminaciones negativas, de los cuales se pasa, mediante la decoherencia, al universo de determinaciones positivas,la materia, y al de determinaciones negativas, la antimateria.

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