Estrategias para superar y resolver la decoherencia cuántica

Introducción

En la mecánica cuántica, la decoherencia cuántica es la pérdida de coherencia o orden de

los ángulos de fase entre los componentes de un sistema en una superposición cuántica.

Una consecuencia de este desfase es clásica o probabilísticamente comportamiento

aditivo. Decoherencia cuántica da la apariencia de colapso de la función de onda y

justifica el marco y la intuición de la física clásica como una aproximación aceptable:

decoherencia es el mecanismo por el cual el límite clásico surge de un punto de partida

cuántica y determina la ubicación de la frontera cuántica clásica . Decoherencia se

produce cuando un sistema interactúa con su entorno de una manera termodinámicamente

irreversible. Decoherencia ha sido un tema de investigación activa desde 1980.

I. Planteamiento del Problema

1.1 Descripción del Problema

El problema de la decoherencia cuántica es una explicación complementaria al problema

de la reducción del estado cuántico que es la principal dificultad interpretativa dentro

del problema de la medida en mecánica cuántica. Por ello, se hace un repaso sobre las

posiciones históricas sobre el problema de la reducción del estado, y por qué en última

instancia los estados cuánticos para cuerpos macroscópicos carecen de algunas de las

propiedades típicas de los estados cuánticos (entrelazamiento, interferencia cuántica,

reducción del estado, etc.)

1.2 Objetivos del Ensayo

Plantear estrategias para superar y resolver la decoherencia cuántica

1.3 Justificación

Uno de los problemas históricos de la mecánica cuántica es el problema de la medida.

Stephen Hawking afirma que: “La computación cuántica es una posible puerta a nuevas

tecnologías y conocimientos…” (2006). Es verdad, pero aún nos queda mucho por

investigar.

II. Marco Teórico

2.1 ¿Qué es la decoherencia cuántica?

Es un término aprobado y empleado para explicar como un estado cuántico entrelazado

puede dar lugara un estado físico-clásico (Zeh1 1970), Es fundamental entender la

transición entre un sistema cuántico y un sistema clásico. Por ejemplo en el caso del

experimento imaginario del gato de Schrödinger la interacción de las partículas del gato

con el ambiente podrían producir una decoherencia y hacer que la combinación de "gato

vivo" + "gato muerto" perdiera coherencia y se transformara en un estado clásico

2.2 Historia de la decoherencia cuántica

El problema de la decoherencia cuántica es una explicación complementaria al problema

de la reducción del estado cuántico que es la principal dificultad interpretativa. Uno de

los problemas históricos de fundamentación de la mecánica cuántica ha sido el problema

de la medida. Según Einstein (1935) esta medición: “…implica la interacción con un

aparto de medida, (…) y el resultado de dichas interacción altera notoriamente al

sistema”. Por ello, en ocasiones es difícil la manipulación de los sistemas cuánticos y los

qubits.

Diversos experimentos llevaron a Von Neumann (1932) a postular que los sistemas

cuánticos presentaban dos tipos de evolución: El primer tipo era una "evoluc ió n

determinista unitaria" o proceso unitario cuando el sistema no es perturbado

exteriormente, tal como recoge postulado V según el cua en esas circunstancias la

evolución se produce de acuerdo con la ecuación de Schrödinger y por tanto dados dos

instantes de tiempo el estado del sistema entre ellos dos está relacionado por un operador

unitario que conserva las probabilidades. El segundo tipo era una "reducción abrupta no

unitaria", también llamada colapso de la función de onda, descrito en el postulado IV que

describe la relación entre el estado antes de una medida y el estado resultante de la

medida.

1. Heinz-Dieter Zeh emérito de la Universidad de Heidelberg y el físico teórico

2. John von Neumann matemático húngaro-estadounidense que realizó contribuciones

fundamentales en física cuántica, análisis funcional, teoría de conjuntos, teoría de juegos, etc.

En 1957, Hugh Everett formuló la interpretación de los universos múltiples y sostenía

que: “… algunos estados cuánticos pueden concebirse matemáticamente como una suma

de alternativas o superposición lineal de alternativas cualitativamente diferentes…”. En

esos primeros trabajos se sugería que la información no se perdía sino algo que sugería

también la interpretación de mundos paralelos.

2.3 Descripción del Proceso

Para desarrollar cómo funciona el proceso de decoherencia, se presenta aquí un "modelo

intuititivo" simplificado. Sin embargo, el asunto de la decoherencia es algo técnico y

requiere cierta familiaridad con los conceptos básicos de la mecánica cuántica

Los modelos de decoherencia permiten explicar la ausencia de superposiciones cuánticas

en los estados macroscópicos de la materia, sin necesidad de la intervención de un.La

decoherencia es resultado del entrelazamiento de todos los sistemas físicos con el entorno.

En cada observación de un sistema hay tres subsistemas implicados: el objeto a medir, el

aparato de medida y el entorno. Según los modelos de decoherencia el entrelazamiento

estos tres subsistemas y, en concreto, la interacción entre el objeto a medir y el entorno,

diluye la superposición de estados cuánticos; el gato de Schrödinger o está vivo o está

muerto. Según Joes y Zeh (1985): “…la razón es la interacción (dispersión) de los fotones

en las moléculas del aire de la habitación. Esta dispersión provoca una decoherencia muy

rápida que localiza los paquetes de luz, contrarrestando la dispersión predicha por la

ecuación de Schrödinger 3.”

Los trabajos de Serge Haroche y David Wineland, sentaron las bases para la observación

experimental de la decoherencia cuántica. Sin embargo, la decoherencia cuántica aún

guarda muchos secretos para los físicos y todavía no podemos afirmar que se entienda en

detalle la frontera que existe entre el mundo cuántico y el mundo clásico.

“El principio de correspondencia de Bohr4 se utiliza en la primera cuantización para

cuantizar al sistema clásico, pero gracias a la decoherencia se puede recorrer el camino al

revés, es decir, “clasicar” un sistema cuántico.” (Schlosshauer y Camilleri, 2008). La

decoherencia permite el paso de un sistema cuántico a uno clásico y viceversa.

3. Experimento del gato de Schrödinger es un experimento imaginario concebido en 1935 por

el físico austríaco Erwin Schrödinger

4. Modelo atómico de Bohr es un modelo clásico del átomo, pero fue el primer modelo atómico en

el que se introduce una cuantización a partir de ciertos postulados

III. Propuesta teórica para superar y resolver la decoherencia

cuántica

La tasa de decoherencia depende de un número de factores incluyendo la temperatura, o

incertidumbre en la posición, y muchos experimentos han tratado de medir que depende

del entorno externo.

El colapso de una superposición cuántica en un solo estado definido se midió

cuantitativamente por primera vez por Serge Haroche y sus compañeros de trabajo en el

cole Normale Suprieure en París en 1996. Su enfoque implicó el envío de átomos de

rubidio individuales, cada uno en una superposición de dos estados, a través de una

cavidad de microondas lleno. Los dos estados cuánticos tanto causar cambios en la fase

del campo de microondas, pero en cantidades diferentes, de modo que el propio campo

también se puso en una superposición de dos estados. Como la cavidad campo

intercambia energía con su entorno, sin embargo, su superposición parece derrumbarse

en un solo estado definido.

En julio de 2011, investigadores de la Universidad de British Columbia y la Univers idad

de California, Santa Barbara fueron capaces de reducir la tasa de decoherencia ambienta l

"a niveles muy por debajo del umbral necesario para el procesamiento de informac ión

cuántica", mediante la aplicación de campos magnéticos de alta en su experimento.

Durante las últimas décadas se ha producido una explosión en los estudios sobre

decoherencia en el ámbito de la física. En particular, la investigación de este fenómeno

ha cobrado una especial importancia en la llamada "computación cuántica", donde la

decoherencia constituye el mayor obstáculo al que debe enfrentarse la implementación

de sistemas de información que aprovechan las superposiciones cuánticas. Sin embargo,

las discusiones teóricas en torno a los fundamentos de la teoría continúan presentando

algunos ángulos oscuros.

Mediante diferentes argumentos hemos sostenido que, en realidad, se trata de un

pseudo-problema, construido ad hoc sobre la base de una incorrecta concepción de la

medición cuántica. Cuando, por el contrario, la medición cuántica se concibe como un

proceso que involucra el estado inicial del sistema a medir y el arreglo experimental

mediante el cual se efectúa la medición, el problema de la base privilegiada se disuelve:

no existe ambigüedad alguna respecto de la base de medición y, por tanto, la

decoherencia inducida por el entorno no resulta necesaria para la selección de dicha

base. Los físicos experimentales pueden continuar efectuando sus mediciones cuánticas

sin preocuparse por el problema de la base privilegiada, tal como de hecho han venido

haciéndolo desde hace casi un siglo

IV. Conclusión

Como ya hemos dicho antes por aquí, la transición cuántico-clásica es más difícil que

simplemente tomar la constante de Planck5 como cero. Eso es un error que se propagó

hace tiempo, y que aún se sigue viendo en libros de texto y cursos universitarios. El valor

de la acción es parte de la historia, sin duda, pero no es la historia completa.

La decoherencia es el mecanismo más usado actualmente para explicar la pérdida de

carácter cuántico debido a la interacción con el entorno. Evidentemente, tiene sus

limitaciones. Tienes que conocer muy bien la interacción entre el sistema y el entorno, y

luego hay que hacer cálculos de sistemas cuánticos de muchas partículas. Los que nos

dedicamos a esto sabemos muy bien lo complicado que es hacer eso. Por ese motivo se

han desarrollado infinidad de aproximaciones, ecuaciones maestras y métodos numéricos

para lidiar con este problema.

Finalmente, mencionar que la decoherencia también juega un papel fundamental en la

discusión sobre si hay o no efectos cuánticos en sistemas biológicos, incluido el cerebro.

Fuentes consultadas

M. Schlosshauer. Decoherence and the quantum-to-classical transition. Springer (2010).

R. P. Crease, The Prism and the Pendulum: The Ten Most Beautiful Experiments in

Science, Random House, New York, (2003).

M. Arndt, O. Nairz, J. Vos-Andreae, C. Keller, G. van der Zouw, A. Zeilinger, Wave–

particle duality of C60 molecules, Nature 401, 680–682 (1999).

5. Constante de Planck es una constante física que desempeña un papel central en la teoría de

la mecánica cuántica

L. Hackermuller, K. Hornberger, B. Brezger, A. Zeilinger, M. Arndt, Decoherence in a

Talbot–Lau interferometer: the influence of molecular scattering, Appl. Phys. B 77, 781–

787 (2003).

W. H. Zurek, Pointer basis of quantum apparatus: Into what mixture does the wave

packet collapse?, Phys. Rev. D 24, 1516–1525 (1981).

M. Castagnino, S. Fortin, R. Laura y O. Lombardi, A general theoretical framework for

decoherence in open and closed systems, Classical and Quantum Gravity, 25,

pp. 154002–154013, (2008).

John Gamble (2008): Foundations of Quantum Decoherence (Doctoral Thesis)

Schlosshauer, Maximilian (2007). Decoherence and the Quantum-to-Classical

Transition (1st edición). Berlin/Heidelberg: Springer.

Ensayo elaborado por Miguel Martín Ramos Miller estudiante de Ingeniería de Sistemas

en la Universidad Nacional de Cañete, bajo la asesoría de David Auris Villegas, magister

de la Universidad de La Habana Cuba, Perú, 2014.