Un programa informático imagina nuevos experimentos cuánticos

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Artículo publicado por Phillip Ball el 24 de febrero de 2016 en physicsworld.com

La mecánica cuántica es tan difícil de comprender que incluso los expertos no confían totalmente en su intuición – y esto dificulta que los físicos propongan nuevos experimentos que pongan a prueba la teoría. Ahora, unos físicos de la Universidad de Viena, en Austria, han ideado un algoritmo para diseñar nuevos experimentos cuánticos que están más allá de nuestros sueños más descabellados.

La idea se desarrolló gracias al estudiante graduado Mario Krenn y sus colegas del grupo de física cuántica de Anton Zeilinger. El algoritmo tiene por nombre “Melvin”, y el equipo cree que podría ser capaz de explorar propiedades por el momento desconocidas de los sistemas cuánticos. Al hacer esto, Melvin llevaría la complejidad de los experimentos cuánticos a un nivel más allá de la imaginación de los diseñadores humanos.

Melvin juega a los dados

Melvin juega a los dados Crédito: iStockphoto/AndreyPopov

Entrelazamiento en dimensiones superiores

Estos experimentos incluyen aquellos que tienen el objetivo particular de lograr un entrelazamiento cuántico entre muchas partículas. Los métodos experimentales para lograr el entrelazamiento de dos, o pocas, partículas es conocido. Pero el entrelazamiento es tan contrario a la lógica que puede ser muy difícil ver cómo combinar los bloques básicos experimentales conocidos para lograr un estado más complejo, algo como un estado de entrelazamiento en dimensiones superiores entre muchos de los grados de libertad de las partículas.

Melvin trabaja de una forma libre de los prejuicios humanos. Se suministra al algoritmo un conjunto de componentes experimentales que pueden recombinarse y reorganizarse para para lograr el objetivo deseado. Estos elementos constan de dispositivos para manipular las trayectorias y propiedades cuánticas de los fotones. Se incluyen divisores de haces, que pueden enviar un fotón en dos direcciones posibles, colocándolo de este modo en un estado de superposición de dos estado cuánticos.

Melvin empieza ensamblando los elementos de su caja de herramientas de forma aleatoria, y viendo si alguna de las configuraciones logra el objetivo experimental. Si es así, Melvin entonces simplifica la configuración de elementos tanto como sea posible antes de enviar esta configuración al usuario. Si no se logra el objetivo, empieza de nuevo con una nueva configuración aleatoria. Normalmente, tras varios días de cálculo en un ordenador estándar, Melvin puede proporcionar una solución optimizada para una tarea específica.

La idea empezó, comenta Krenn, cuando su colega Mehul Malik se preguntó si podría crearse una forma concreta de de estado cuántico en dimensiones superiores, conocido como estado de Greenberger–Horne–Zeilinger (GHZ), el cual implica tres o más partículas entrelazadas. “Varios de entre nosotros intentamos encontrar una forma de implementarlo experimentalmente” – pero sin éxito, comenta. Por fin, explica Krenn, “se me ocurrió que mi intuición sobre cómo funcionaría la configuración estaba equivocada – básicamente, todo lo que estaba haciendo era conjeturar. Y pensé que esto era algo que un computador también podría hacer también, pero unas mil veces más rápidamente que yo”.

En su primera demostración, Melvin obtuvo 51 nuevos tipos de experimentos para crear estados GHZ en dimensiones superiores. En una segunda implementación, el equipo de Viena encontró cómo lograr transformaciones cíclicas de estados de fotones, tales como una secuencia de transformaciones que finalmente retornan el fotón a su estado inicial. Dichas secuencias podrían ser útiles en el procesamiento de información cuántica. Aquí, Melvin encontró buenas soluciones de entre unas 1022 posibles configuraciones de los bloques básicos experimentales – y finalmente fue capaz de reducir el número de elementos requeridos a sólo cuatro. Krenn y sus colegas han empezado ahora a implementar algunas de las soluciones de Melvin en el laboratorio.

Auténtica creatividad

Dado que Melvin no sigue un razonamiento intuitivo, según los investigadores, no está ligado a las ideas convencionales de cómo lograr un objetivo. Sugieren que, de acuerdo con algunas definiciones, esto hace que Melvin tenga una auténtica creatividad. Algunas de las soluciones pueden, quizá, desafiar a la intuición, incluso cuando se sabe que la respuesta es correcta. En el experimento propuesto para crear estados GHZ en dimensiones superiores, Krenn admite que aún está desconcertado por lo que sucede exactamente. “Cada paso de gran complejidad puedo describirlo matemáticamente, pero es muy difícil de explicar intuitivamente”, comenta. “Creo que esto es único en la física cuántica”, añade. Espera que este desafío a la intuición sea más común conforme aumente de la complejidad de las tareas que aborde Melvin.

Una idea inteligente

“Es una idea muy inteligente, y puedo ver que se puede avanzar mucho con ella”, comenta Daniel Greenberger del City College of New York, especialista en los aspectos fundamentales de la teoría cuántica. Funcionará mejor, dice, “donde haya un número finito de piezas, y un número finito de experimentos diferentes que no sean demasiado complejos”. Pero Melvin no va a inventar nuevas teorías, advierte Greenberger. “Unas configuraciones de ideas totalmente nuevas están más allá de sus capacidades, al menos en un futuro cercano, por lo que aún no reemplazará a la comunidad científica”.

La investigación se describe en un borrador de arXiv and en un artículo que se publicará en la revista Physical Review Letters.

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