Nueva forma de medir el trabajo en sistemas cuánticos
Investigadores de Exactas UBA proponen un modo de medir una magnitud como el trabajo en un sistema cuántico sin que éste pierda durante el proceso sus propiedades cuánticas, es decir, que pueda encontrarse en varios estados al mismo tiempo. Asimismo, desarrollaron un algoritmo que permite calcular eficientemente determinadas cantidades de interés físico en una computadora cuántica.
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En nuestra vida cotidiana difícilmente nos topemos con fenómenos cuánticos. En el mundo de todos los días gobiernan las leyes de la física clásica. Es que los fenómenos cuánticos se producen sólo en determinadas condiciones y dimensiones, en el submundo de lo muy pequeño. Allí, las partículas se comportan de una manera especial, por ejemplo pueden estar simultáneamente en varias posiciones en el espacio y sólo se puede inferir su posición en forma probabilística.
Ahora, un equipo de investigadores de Exactas UBA acaba de encontrar una nueva manera de determinar una cantidad de interés físico, el trabajo, manteniendo las propiedades cuánticas durante este proceso. El trabajo se publicó en Physical Review Letters.
El tema se enmarca en la termodinámica que, en su versión clásica, estudia magnitudes como calor y temperatura, y su relación con la energía y el trabajo. La teoría fue desarrollada durante el siglo XIX, con la necesidad de construir máquinas térmicas más eficientes, como el motor de una heladera o de un automóvil.
“Actualmente, el desarrollo tecnológico permite ir a escalas pequeñas y manipular átomos de a uno, es así que surge el interés de construir máquinas a partir de estos sistemas cuánticos utilizando por ejemplo, átomos confinados en un determinado lugar a muy bajas temperaturas, donde no sólo son importantes las fluctuaciones térmicas sino también los efectos cuánticos”, comenta el físico Augusto Roncaglia, primer autor del trabajo, publicado junto con Federico Cerisola y Juan Pablo Paz.
De este modo, surge la necesidad de definir en forma precisa magnitudes como calor y trabajo en el ámbito cuántico. En un sistema clásico, el trabajo que se entrega en un proceso, por ejemplo para mover un objeto, se define como la fuerza por la distancia, y en general es la fuerza integrada en la trayectoria recorrida por el objeto. “Pero en el mundo cuántico no hay trayectorias, por lo tanto esa definición deja de ser válida. Lo que sí sabemos es que el trabajo se relaciona con un cambio de energía”, define Roncaglia.
Augusto Roncaglia, Juan Pablo Paz, Federico Cerisola.
Medir es perturbar
En el mundo cuántico, las partículas no tienen una trayectoria definida, sino sólo una determinada probabilidad de que vayan por diversos caminos. Para conocer su posición en un instante de tiempo es necesario medir, y medir es perturbar. En el caso de que se mida la posición, el sistema colapsa a un estado en particular y así la partícula pierde la posibilidad de encontrarse en más de un estado al mismo tiempo.
Desde hace años, diversos grupos de investigación intentaban hallar una forma de medir el trabajo en sistemas cuánticos aislados, y se creía que para ello era necesario determinar el valor de la energía al inicio y al final de un proceso. Pero apenas se mide el sistema por primera vez, éste colapsa a un determinado estado, subraya el investigador, y destaca: “No se podía mantener la coherencia del sistema durante el proceso de medición”. La coherencia es, precisamente, la posibilidad de estar en una superposición de estados.
Los investigadores de Exactas UBA propusieron determinar el valor del trabajo mediante una única medición que ocurre al final del proceso. Roncaglia remarca: “Lo que mostramos, es que existe una manera de conocer el trabajo con una sola medición y, así, la coherencia se mantiene hasta el final del proceso. Uno comienza con un sistema cuántico, que puede presentar varios valores de energía a la vez, y eso se conserva hasta que al final se mide”.
La clave para lograr mantener el sistema con propiedades cuánticas es entrelazarlo (correlacionarlo) a un segundo sistema cuántico auxiliar que lleva la cuenta del trabajo realizado. La medición finalmente se realiza sobre este último.
Un ejemplo típico en que aparece este tipo de correlaciones es al realizar la medición del espín de una partícula. El espín es una propiedad cuántica intrínseca de las partículas, asociada al momento angular, que además interactúa con el campo magnético. Si se hace pasar una partícula por un campo magnético dado, éste la dispersa en distintas direcciones de acuerdo a su valor de espín. “Luego se detecta la dirección en que salió la partícula. Así, el dato de hacia dónde se mueve la partícula está condicionado por el valor de su espín. Si la partícula se encuentra inicialmente en una superposición coherente de valores de espín a la salida, se encontrará además en una superposición de diferentes direcciones”, dice Roncaglia. Así se correlacionan dos magnitudes: la dirección de movimiento y el espín, en este caso.
Por otro lado, los investigadores presentaron un algoritmo cuántico –una secuencia de operaciones que se podría realizar en una computadora cuántica– que permite calcular, de manera eficiente, determinadas propiedades termodinámicas del sistema.
Algoritmos cuánticos
Mediante algoritmos cuánticos es posible realizar determinados cómputos en forma más rápida que con una computadora clásica. Este algoritmo funciona dentro de una computadora cuántica. Claro, actualmente la computación cuántica está en desarrollo, y existen algunos prototipos de muy pequeña capacidad, de unos pocos bits cuánticos (qbits).
“En una computadora cuántica –explica Roncaglia–, un bit cuántico puede estar en 0, 1 y en cualquier superposición de 0 y 1, ello genera un recurso extra. Si bien no es fácil encontrar un algoritmo que funcione mejor en una computadora cuántica que en una clásica, los que funcionan son muy útiles”.
Una aplicación en la que puede apreciarse el poder de cómputo de estos dispositivos cuánticos se encuentra en el área de la seguridad de las comunicaciones. Cuando se envía un número de tarjeta de crédito por internet, ese número se encripta mediante un determinado algoritmo. La seguridad de este método de encriptación se basa en que es difícil decodificar esos datos en una computadora clásica, ya que requiere descomponer un número grande en el producto de números primos. Para realizar este cálculo en una computadora clásica se tardaría años, mientras que en una cuántica podría hacerse en minutos.
El problema es la seguridad. Si alguien logra construir una computadora cuántica, pondría en jaque a la mayoría de las comunicaciones que se realizan por internet. ¿Cómo solucionar el problema? Surgió la idea de la criptografía cuántica, es decir, encriptar información en forma cuántica.
Dado que un sistema cuántico se ve alterado cuando uno lo mide, si se codifica información en un sistema cuántico, en el preciso momento en que alguien intercepta esa comunicación y la mide, el sistema se ve afectado y cambiará su estado. En consecuencia, si dos personas utilizan sistemas cuánticos para comunicarse, podrían darse cuenta rápidamente de que la comunicación no es segura.
“La computación cuántica presenta el problema de la seguridad de las comunicaciones actuales, pero, al mismo tiempo, da una solución: encriptar de manera cuántica”, resume Roncaglia.
