SOBRE FSICA CUNTICA Y OTRAS DOS COSAS MS

Cristhian Camilo Pinzn Crdenas - 02262073Universidad Nacional de ColombiaFacultad de FsicaBogot D.CJunio 2013

La naturaleza a escala subatmica se comporta de manera diferente a cualquier cosa que nuestra experiencia en el mundo macroscpico nos haya presentado o nos hubiera hecho creer que era el comportamiento universal de las cosas. La mecnica cuntica es la rama de la fsica que se comprometi con la tarea de manejar las cuestiones de las partculas elementales tales como los electrones y los fotones, y es paradjico, radicalmente anti intuitivo y extrao. A su vez, estas partculas llamadas elementales o fundamentales (a causa de que son de lo ms pequeo que se ha encontrado en la naturaleza y que la interaccin entre estas conforma el constitutivo de la materia como la conocemos), se definen por ciertas caractersticas que son intrnsecas para todos los sistemas del mismo tipo. De esta forma, todos los electrones tienen la misma masa y la misma carga elctrica. Pero adems de esas propiedades tan universales, a los electrones se le atribuyen cantidades (posicin, velocidad) que pueden variar de una a otra. El conjunto de esas caractersticas constituye en lo que en la fsica se llama el estado de la partcula. Como ya se haba dicho anteriormente, esta fsica se presento al principio como un certero derechazo en la cara con respecto a lo que se crea saber del comportamiento, origen y dems temas en dudas del universo y en la forma en que se trataban hasta los inicios del siglo XX, por que tenia variaciones un tanto extraas de trabajarse con respecto a las formas anteriores de anlisis fsico, nuevos fenmenos que mostrar y postulados como principios tan imaginativos que fsicos como Albert Einstein (gran aportador, pero agnstico de esta fsica) crean fuera de todo plan concebido y fantasmagrico. Estas son algunas de sus curiosas formas en que se nos manifiesta: El conocimiento completo del estado de un sistema est prohibido. Una medicin revela slo una pequea cantidad de informacin sobre el estado cuntico del sistema (algo muy diferente a la mayora de sistemas macroscpicos), y el cual se puede llegar a complementar con un principio que lleva ese nombre. El acto de medicin de una partcula fundamental perturba su estado, esto se debe a que al ser partculas tan pequeas son muy delicadas y cualquier interaccin produce cambios significativos en ellas. Las partculas cunticas pierden el concepto de trayectoria. Todo lo se puede decir acerca de la partcula es que empez en A y se detecto en B, no podemos decir nada con respecto a su trayectoria o camino tomado para llegar de A hasta B. La mecnica cuntica es intrnsecamente probabilstica. Podra cuadrar dos partculas o experimentos semejantes y en estados idnticos y al medirlos no darme necesariamente el mismo valor en los dos, es por eso que trabaja con la probabilidad de que haya un resultado esperado. Las entidades cunticas en algunos aspectos como partculas y otros como en ondas, pero en realidad estos tienen un comportamiento peculiar y es que no son partculas ni ondas.

Estos comportamientos estn sustentados a su vez por algo que los progenitores de esta rama de la fsica hicieron para 1927 en la ciudad de Como en Italia, y el cual recibe el nombre de la interpretacin de Copenhague. Esta interpretacin hace referencia a una interpretacin de la mecnica cuntica que discutieron diferentes cientficos como Bohr, Born, Heisenberg y Schrodinger para buscar algunas reglas de juego para esta clase de fsica.

Sus postulaciones vienen de anlisis hechos por algunos de ellos y fueron aceptados despus por un gran nmero de pares acadmicos, hasta nuestros das que son formas en que se percibe ahora el mundo. Estas fueron bautizadas los pilares de la interpretacin de Copenhague:

Elprincipio de incertidumbre de Heisenberg, el cual establece que no se puede conocer simultneamente con absoluta precisin la posicin y elmomentode una partcula. La interpretacin de Copenhague seala el hecho de que el principio de incertidumbre no opera en el mismo sentido hacia atrs y hacia delante en el tiempo. Bohr formul en la interpretacin de Copenhague lo que se conoce como elprincipio de complementariedadque establece que ambas descripciones, la ondulatoria y la corpuscular, son necesarias para comprender el mundo cuntico. En fsica cuntica el observador interacta con elsistemaen tal medida que el sistema no puede considerarse con una existencia independiente.

Adems de los principios anteriores, se pueden nombrar otros que aparecieron posteriormente y que ayudaran para el entendimiento de temas a exponer dentro de poco en este ensayo, entre los cuales estn:

El principio de superposicin, el cual explica como una partcula puede ser superpuesta entre dos estados al mismo tiempo. El principio de medicin que nos dice como la medicin de una partcula cambia su estado, y a cuanta informacin podemos disponer de una partcula. El axioma de la evolucin unitaria, gobierna como el estado de un sistema cuntico evoluciona en el tiempo.

Ahora se hablaran de diferentes aplicaciones que aparecen de estos peculiares comportamientos y que son avances exponenciales para la ciencia.

Entrelazamiento cuntico

Es un fenmeno exclusivamente cuntico, en el cual los estados cunticos de dos o ms objetos se deben de describir de forma que los estados estn correlacionados con todos los estados de los dems objetos del sistema, incluso si los objetos estn separados espacialmente.

Esta propiedad fue predicha por Einstain, Podolsky y Rosen en sus experimento mental titulado la paradoja EPR en 1935, en donde se divisaba un comportamiento muy diferente a los casos clsicos, en la cual las relaciones establecidas ya no pueden ser indivisibles ni factorizables, por lo cual se puede decir que ya son un nuevo sistema.

Por la relacin inseparable de los estados correlacionados de los objetos en el sistema, las caractersticas de uno de los objetos servir para predecir las de los otros objetos del sistema, el caso viene al momento de separarse los objetos a distancias mayores en la cual la transmisin de la informacin tendra que violar el lmite de velocidad de transmisin en el universo impuesto por la velocidad de la luz, por lo cual una transmisin de informacin de un objeto a otro no es posible, pero a su vez el entrelazamiento nos dice no es problema mo, eso no me afecta, eso es porque entre las partculas no hay en si un intercambio o transmisin de informacin, sino ya hay certezas en los resultados que se relacionan entre las partculas, esto se debe a que fueron acondicionadas previamente.

Qubits y computacin cuntica

Tambin llamados bits cunticos, son los bloques de construccin bsicos que abarcan todos los fenmenos cunticos fundamentales, ellos son sistemas de dos estados bien definidos hasta que se hacen las mediciones del fenmeno a prueba (e.j. la transicin del estado fundamental al primer estado excitado de un electrn en un tomo de hidrogeno).

El concepto de qubit es abstracto y no lleva asociado un sistema fsico concreto. En la prctica, se han preparado diferentes sistemas fsicos que, en ciertas condiciones, puedendescribirsecomo qubits o conjuntos de qubits. Los sistemas pueden ser de tamao macroscpico, como un circuito superconductor, o microscpico, como un conjunto de ionessuspendidos mediante campos elctricos.

Los dos estados de un qubit son 1 y 0, como en el caso del bit, pero adems ellos se pueden expresar como la superposicin de los 2 estados A|1> + B|0>.

A continuacin se pueden ver diferencias entre los bits y los qubits:

El paralelismo cuntico, que es la posibilidad de representar simultneamente los valores 0 y 1. Los algoritmos cunticos que operan sobre estados de superposicin realizan simultneamente las operaciones sobre todas las combinaciones de las entradas. Mltiples qubits pueden presentarse en un estado deentrelazamiento cuntico, un sistema de dos qubits entrelazados no puede descomponerse en factores independientes para cada uno de los qubits

Figura 1. Niveles de energa de un tomo, el estado fundamental y el primer estado excitado corresponden a valores del qubit.

Las anteriores caractersticas del qubit dan para la creacin de circuitos y algoritmos cunticos los cuales estn siendo usados para la creacin de compuertas lgicas cunticas, los cuales a su vez van a ser usados para la elaboracin de dispositivos y computadoras cunticas que tendrn capacidades de almacenamiento y procesamiento inimaginables para lo que eran en la poca en que se empezaron a plantear y aun para nuestros das.

Por supuesto, como toda tecnologa temprana tiene sus inconvenientes y para esta no hay excepciones aun con el manejo riguroso de sus formalidades matemticas y experimentales presenta problemas como el tiempo de coherencia en los fenmenos a trabajar- de unos pocos picosegundos de duracin y la variacin de los valores a causa de la interaccin con el medio ambiente y el observador a causa del principio de medicinPero eso no significa que no haya avances y resultados con cierto grado de certeza que se puedan trabajar para aplicaciones electrnicas, fsicas, etc.

Aprovechando el principio de superposicin se pueden lograr varios anlisis paralelos al tiempo con lo cual se puede llegar a un nivel multitarea de proporciones exponenciales y esto depende de los qubits que se dispongan, cabe resaltar, el nmero de operaciones esexponencialcon respecto al nmero de qubits.

Varios problemas que se han propuesto para solucionar con computacin cuntica son por ejemplo, la factorizacin de nmeros de gran cantidad de cifras y logaritmos discretos para criptografa, algoritmos recursivos, trasmisin a grandes distancias a partir de sistemas entrelazados y simulacin de sistemas cunticos.

Criptografa cuntica

Apoyada en los principios de superposicin, incertidumbre, colapso de estado y entrelazamiento de sistemas cunticos, la criptografa ha hecho aplicaciones extraordinarios con ayuda de la fsica cuntica.

La primordial defensa otorgada a estos sistemas de encriptado se encuentra en el principio de incertidumbre, y esto es porque si un intruso trata de intervenir en el sistema cuntico, por ejemplo, al momento de la creacin de las claves o en interceptar el mensaje, el sistema ser alterara alertando a los usuarios de un intento de violacin mucho antes de que haya intercambio de informacin.

Uno de los mtodos ms usados para la implementacin de esta tecnologa est en la manipulacin de fotones y los estados interesados para la encriptacin son sus dos estados de polarizacin, las cuales pueden ser inducidas a partir de lseres y transportarse por fibra pticas, y ambos lados se trabaja con filtros polarizados.

Otra ventaja es que la clave se genera "naturalmente al azar" ya que es imposible saber de antemano qu polarizacin tendr cada fotn.

Teleportacin cuntica

Este fenmeno exclusivamente cuntico ocurre con sistemas entrelazados y consiste en la transferencia de un estado cuntico de forma instantnea a localizaciones tan lejanas como las separadas por la velocidad de la luz; esto llevara a pensar que se est violando la prohibicin de que nada puede viajar ms rpido de la luz, pero lo que ocurre es que este fenmeno no tiene transporte de materia ni de energa, ocurre simplemente porque los estados de las partculas estn correlacionadas.

Efecto tnel

Este fenmeno es exclusivo de partculas de tamao nanometrico y consiste en la capacidad que tienen ese tipo de partculas para sortear barreras de potencial de mayor magnitud a la energa que posee la partcula, efecto impensable para los cuerpos que se rigen estrictamente a la mecnica clsica.

Este fenmeno tiene explicacin en el principio de incertidumbre, recordando que una partcula subatmica no tiene valores fijos de posicin o impulso y observando ese hecho, cabe la posibilidad de que partculas con valores de incertidumbre en el momento den a la partcula valores mayores de energa que el limitado por la barrera de potencial, creando una probabilidad no nula para que la partcula pueda franquear la barrera.

Claro que este fenmeno coloca sus condiciones; estas radican en la altura y el ancho de la barrera a vencer, otra cosa es la masa que tiene la partcula (un diatmico tiene un factor de reduccin 100 comparado con la probabilidad de un solo tomo).

La cantidad de aplicaciones creadas para este fenmeno desde su descubrimiento han sido considerables, en ramas como la electrnica y la fsica del estado slido. Entre estas aplicaciones se encuentran la creacin de transistores, la elaboracin de microscopios que funcionan con este efecto, cosmologa y superconductores. Para el caso del Microscopio de Fuerza Atmica creado en 1981, su funcionamiento consta de una punta metlica puesta en un cubo de cuarzo (piezoelctrico) al que se aplica una tensin elctrica a una distancia de unos pocos angstroms de altura por encima de la superficie que se desea examinar. Con ayuda del efecto tnel, los electrones pueden pasar de la punta metlica a la superficie atravesando el vacio que los separa, aun cuando estos electrones carezcan de la energa que estipula la fsica clsica.

A su vez este dispositivo es usado de una forma inversa, cargando una tensin negativa y haciendo que electrones de la superficie pasen a la punta metlica, con lo cual se pueden mover de un lugar a otro, lo mismo para cartografiar la superficie.

Otros aspectos por hablar

Si se mira bien, todo lo hablado anteriormente puede parecer en un principio tan desconcertante que puede llegar a asustar y a hacer dudar la idea que se ha formado de las cosas a partir de la interaccin con el medio y lo que en verdad sucede en el medio; cosas como, la distancia estrictamente no asla la influencia de un experimento con otro, la medicin de un fenmeno automticamente lo puede alterar y la posibilidad de pegar saltos con energa que no se cuenta son cosas que son vagas a nuestro entendimiento intuitivo, pero, hay que recordar que la intuicin y el instinto son enemigos de la ciencia, sino, solo mire el ejemplo de galileo, el cual en su poca ocasiono gran consternacin al decir que la tierra era redonda siendo que para la intuicin y entendimiento de la poca la haca parecer plana.

Esta fsica ha hecho a ms de uno hacerse preguntas y refutaciones tanto cientficas como filosficas de ella a causa de la cantidad de interpretaciones que se ha hecho de ella y de algunos cabos sueltos que se han estado atando en los ltimos dcadas, como ejemplo de estas controversias tenemos el periodo de gran intercambio de cartas y discusiones entre Albert Einstein (padre de la fsica relativista y uno de los primeros colaboradores de la fsica cuntica) y Neils Bohr (mayor defensor de la cuntica y cofundador de la misma) por la veracidad de las formulaciones que presentaba la fsica cuntica y como esta se acoplaba al concepto de la realidad que se percibe y se vive.

Estas discusiones llevaron a que se crearan bandos que apoyaban (Bohr, Heisenberg, Pauli, Born, Dirac) y otros que no estaban muy de acuerdo con la idea (Plack, Schrodinger, Einstein, De Broglie) y todo por el problema de la aprehensin que tenia la teora, pero en las ltimas dcadas algunos de estos detractores debieron bajar en parte la cabeza y aceptarla al ver sus resultados, otros simplemente fueron hasta la tumba con su rechazo a ella.

Ahora si se mira lo fundamental que ha llegado a ser el entendimiento de esta fsica, se va a encontrar escenarios que muestra su eficacia en el entendimiento del universo. Si se mira el caso de la constante (h) encontrada por el cientfico alemn Max Planck, se puede ver lo vital de su valor al examinar caso como las fuerzas interatmicas que ocurren en el ncleo de un tomo, el comportamiento de ciertas frecuencias de luz en los materiales (efecto fotoelctrico y Comptn), comportamientos de materiales con respecto al paso de cargas elctricas en ellos (Conductividad elctrica, efecto Hall y Joshepson, comportamiento de semiconductores y superconductores), deteccin y calculo de cuerpos csmicos (efecto de cuerpo negro) y a su vez el funcionamiento en s del universo como se conoce hasta hoy da (permanencia de la mecnica clsica y el electromagnetismo).

Solo es de imaginarse si h fuera de una magnitud mayor, para imaginar los efectos que esto acarreara; solo por decir algunos estn, el efecto tnel en la naturaleza macroscpica sera algo de lo ms normal, las uniones de las partculas y el modelo que se tiene del tomo cambiaran de forma drstica a tal modo que la desintegracin de las partculas elementales se llevara con muy poco esfuerzo y lo que parece estable en nuestro mundo macroscpico tendera a la alta entropa en la que se encuentran los sistemas cunticos, es algo curioso de analizar y aun ms curioso de imaginar.

Referencias:

Etienne Klein (2003). La Fsica Cuntica. Siglo Veintiuno Editores. Griffiths, David J. (2004).Introduction to Quantum Mechanics (2nd Ed.). Prentice Hall. BerkeleyX:CS191x Quantum Mechanics and Quantum Computation. The Axioms of Quantum Mechanics. Chapter 1. Edx. https://courses.edx.org/c4x/BerkeleyX/CS191x/asset/chap1.pdf BerkeleyX:CS191x Quantum Mechanics and Quantum Computation. Qubits Chapter 1. Edx. https://courses.edx.org/c4x/BerkeleyX/CS191x/asset/chap1.pdf BerkeleyX:CS191x Quantum Mechanics and Quantum Computation. Entanglement. Chapter 2. Edx. https://courses.edx.org/c4x/BerkeleyX/CS191x/asset/chap2.pdf BerkeleyX:CS191x Quantum Mechanics and Quantum Computation. Quantum Gates, Circuits & Teleportation. Chapter 1. Edx. https://courses.edx.org/c4x/BerkeleyX/CS191x/asset/chap3.pdf Rosenblum Bruce, Kuttner Fred (2011). Quantum Enigma (2nd Ed.). Oxford University Press.