Ciencia Kanija

Manos en movimiento haciendo un redoble de tambor. Un redoble cuántico se ha convertido en el primer objeto visible en ser puesto en una superposición de estados cuánticos. A. Olsen/iStockphoto

El mayor objeto colocado en un estado cuántico.

Un equipo de científicos ha tenido éxito al colocar un objeto lo bastante grande para ser visible a simple vista en un estado cuántico mezclado de movimiento y estático.

Andrew Cleland de la Universidad de California en Santa Barbara, y su equipo enfriaron un diminuto remo de metal hasta alcanzar su ‘estado base’ mecánico cuántico — el estado de menor energía permitido por la mecánica cuántica. Entonces usaron las extrañas reglas de la mecánica cuántica para colocar simultáneamente el remo en movimiento mientras que se mantenía quieto. El experimento demuestra que los principios de la mecánica cuántica se aplican a objetos cotidianos aparte de las partículas de escala atómica.
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Un aislante topológico podría ayudar a probar la Teoría de Campo Cuántico.

Una oscura clase de materiales podrían usarse para simular una gran cantidad de partículas exóticas predichas por los físicos, pero nunca observadas.

Los resultados preliminares, presentados el 14 de marzo en la apertura de la reunión de la Sociedad Física Americana en Portland, Oregon, sugieren que se ha creado un trozo lo bastante grande de un ‘aislante topológico’ como para probar las extrañas predicciones de la Teoría de Campo Cuántico — una versión de la mecánica cuántica que se usa comúnmente en la física de partículas. La teoría predice la existencia de un número de partículas inusuales, que, de reproducirse en el material, podrían mostrarse útiles para aplicaciones futuras tales como ruptura de códigos en ordenadores cuánticos o en espintrónica — la electrónica que depende del espín de las partículas además de su carga.
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Esta ilustración muestra un esquema de realimentación adaptativa usado para medir una diferencia de fase desconocida entre los dos brazos rojos del interferómetro. Se envía un fotón (qubit) a través del interferómetro, y se detecta en c1 ó c0, dependiendo de por qué brazo viaje. La retroalimentación se envía a la unidad de proceso, la cual controla el desplazador de fase en un brazo de modo que, cuando se envíe el siguiente fotón, el dispositivo pueda medir con mayor precisión la fase en el otro brazo, y calcular la diferencia de fase precisa. Crédito de la imagen: Hentschel y Sanders.

En el mundo clásico, los científicos pueden realizar medidas con un grado de precisión que está restringido sólo por las limitaciones técnicas. A nivel fundamental, no obstante, las medidas de precisión están limitadas por el Principio de Incertidumbre de Heisenberg. Pero incluso alcanzar una precisión cercana al límite de Heisenberg está muy lejos de la tecnología actual debido a las limitaciones de la fuente y los detectores.

Ahora, usando técnicas del aprendizaje automático, los físicos Alexander Hentschel y Barry Sanders de la Universidad de Calgary han demostrado recientemente cómo generar procedimientos de medidas que pueden superar las mejores estrategias anteriores para lograr unas medidas cuánticas de alta precisión. El nuevo nivel de precisión se aproxima al límite de Heisenberg, lo cual es un objetivo importante para las medidas cuánticas. Tales medidas cuánticas mejoradas son útiles en distintas áreas, tales como relojes atómicos, detección de ondas gravitatorias y medición de propiedades ópticas en materiales.

“La precisión que cualquier medida puede lograr está limitada por el conocido como límite de Heisenberg, el cual resulta del Principio de Incertidumbre de Heisenberg”, dice Hentschel a PhysOrg.com. “No obstante, las medidas clásicas no pueden lograr una precisión cercana al límite de Heisenberg. Sólo las medidas cuánticas que usan correlaciones cuánticas pueden aproximarse a dicho límite. Aún así, idear procedimientos de medida cuántica es algo muy complejo”.

El principio de incertidumbre de Heisenberg limita en último término la precisión posible dependiendo de cuántos recursos cuánticos se usan en la medida. Por ejemplo, las ondas graviatorias se detectan mediante interferómetros láser, cuya precisión está limitada por el número de fotones disponibles en el interferómetro dentro de la duración del pulso de la onda gravitatoria.

En su estudio, Hentschel y Sanders usaron una simulación por ordenador de un interferómetro de dos canales con una diferencia de fase aleatoria entre los dos brazos. Su objetivo era estimar la diferencia de fase relativa entre los dos canales. En su sistema simulado, los fotones eran enviados al interferómetro a la vez. No se sabía a qué puerto de entrada llegaría, por lo que el fotón (actuando como qubit) estaba en una superposición de dos estados, correspondiendo a los dos canales. Cuando salía del interferómetro, el fotón se detectaba abandonando uno de los dos puertos de salida, o no se detectaba si se perdía. Dado que los fotones eran lanzados al interferómetro a la vez, no se podía extraer más de un bit de información en cada momento. En este escenario, la precisión posible está limitada por el número de fotones usados para la medida.

Como han demostrado anteriores investigaciones, los esquemas de medidas cuánticas más efectivos son aquellos que incorporan una retroalimentación adaptativa. Estos esquemas acumulan información a partir de medidas y las aprovechan para maximizar la información lograda en posteriores medidas. En un interferómetro con retroalimentación, se envía una secuencia de fotones sucesivamente a través del interferómetro para medir la diferencia de fase desconocida. Los detectores en los dos puertos de salida miden el camino de salida de cada uno de los fotones, y transmite la información a la unidad de proceso. La unidad de proceso adapta el valor de un desplazador de fase controlable tras cada fotón, de acuerdo con una política dada.

No obstante, idear una política óptima es difícil, y normalmente requiere de ciertas conjeturas. En su estudio, Hentschel y Sanders adaptaron una técnica del campo de la inteligencia artificial. Su algoritmo aprende una política óptima basándose en el ensayo y error – reemplazando las conjeturas por un procedimiento lógico, completamente automático y programable.

Específicamente, el nuevo método usa un algoritmo de aprendizaje automático llamado optimización de enjambre de partículas (PSO). PSO es una estrategia de optimización de “inteligencia colectiva” inspirada en el comportamiento social de las bandadas de pájaros o bancos de peces para localizar lugares donde alimentarse. En este caso, los físicos demuestran que el algoritmo PSO puede también aprender de forma autónoma una política para ajustar el desplazamiento de fase controlable.

Como demuestran Hentschel y Sanders, después de que se haya enviado una secuencua de qubits de entrada al interferómetro, el procedimiento de medida aprendido por el algoritmo PSO deja una medida del desplazamiento de fase desconocido que está cerca del límite de Heisenberg, fijando un nuevo precedente para la precisión de las medidas cuánticas. El nuevo alto nivel de precisión podría tener importantes implicaciones para la detección de ondas gravitatorias.

“La Teoría de la Relatividad General de Einstein predice ondas gravitatorias”, dice Hentschel. “No obstante, no se ha logrado ninguna detección directa de las mismas. La detección de ondas gravitatorias abrirá un nuevo campo de la astronomía que incrementará las observaciones de neutrinos y ondas electromagnéticas. Por ejemplo, los detectores de ondas gravitatorias pueden observar agujeros negros en fusión o sistemas estelares binarios compuestos de dos estrellas de neutrones, que están en su mayor parte ocultos a los telescopios convencionales”.

Más información: Alexander Hentschel and Barry C. Sanders. “Machine Learning for Precise Quantum Measurement.” Physical Review Letters 104, 063603 (2010). DOI:10.1103/PhysRevLett.104.063603

Autor: Lisa Zyga
Fecha Original: 26 de febrero de 2010
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Los choques interplanetarios pueden crear “electrones asesinos” en el entorno espacial cercano a la Tierra en 15 minutos desde que el choque alcanza la burbuja magnética protectora de la Tierra. El mecanismo subyacente para este proceso ha sido ahora revelado como resultado de una extraña configuración de satélites, que incluyen a Cluster, SOHO y Double Star.

Durante décadas hemos sabido que nuestro ambiente espacial cercano a la Tierra está íntimamente vinculado a la actividad solar. No obstante, los modelos de esta relación aún no son lo bastante precisos para predecir – en detalle – el impacto en la Tierra de violentas explosiones (conocidas como eyecciones de masa coronal) desde el Sol. En particular, ni siquiera es posible determinar dónde y qué extensión de región específica cercana a la Tierra podría ser dañina para una nave o perturbar las señales de satélites de navegación.
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El extraño mundo de la mecánica cuántica describe el comportamiento raro y a menudo contradictorio, de los pequeños objetos inanimados, tales como átomos. Los investigadores ahora han empezado a buscar formas de detectar propiedades cuánticas en entidades más grandes y complejas, incluso posiblemente en organismos vivos.

Un grupo de investigación germano-español, dividido entre el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica y e Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO), está usando los principios de un famoso experimento mental de la mecánica cuántica – el gato superpuesto de Schrödinger – para probar las propiedades cuánticas en objetos compuestos por mil millones de átomos, posiblemente incluyendo al virus de la gripe.
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La Teoría de Cuerdas implica que los agujeros negros puede aparecer en todo tipo de formas y sabores, de acuerdo con una cosmóloga que ha catalogado todos los tipos conocidos.

La Teoría de Cuerdas es la mejor opción de los físicos para una Teoría Unificada de todas las interacciones, pero trae consigo algunas extrañas predicciones. Una de ellas es que el espacio-tiempo consta de 10 dimensiones en lugar de las cuatro a las que estamos acostumbrados. Y eso genera algunas intrigantes cuestiones.
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A temperaturas muy bajas, en ausencia de luz, un fotomultiplicador emitirá espontáneamente electrones aislados. El fenómeno, conocido como “emisión criogénica de electrones”, se observó por primera vez hace casi 50 años. Aunque los científicos conocen unas pocas causas para la emisión de electrones sin luz (también llamado índice oscuro) – incluyendo el calentamiento, un campo eléctrico y la radiación por ionización – ninguno de ellos puede tenerse en cuenta para la emisión criogénica. Normalmente, los físicos consideran estos eventos de electrones oscuros poco deseables, dado que el propósito de un fotomultiplicador es detectar fotones produciendo los electrones respectivos como resultado del efecto fotoeléctrico.

En un reciente estudio, Hans-Otto Meyer, profesor de física en la Universidad de Indiana, ha investigado más en detalle la emisión criogénica de electrones realizando experimentos que demuestran cómo los electrones disparados se distribuyen en el tiempo. Sus resultados revelan que los electrones se emiten en ráfagas que se suceden de forma aleatoria, aunque dentro de una ráfada los electrones se emiten de una peculiar forma correlada. Sugiere que las correlaciones indican algún tipo de mecanismo de atrapamiento, pero el inusual comportamiento es inconsistente con cualquier proceso de emisión espontánea actualmente conocido. Al menos por el momento, no parece haber una explicación física paa las observaciones.
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Un equipo de astrofísicos estadounidenses y suizos ha comprobado que la teoría de la relatividad general de Einstein funciona a escalas tan grandes como las que separan las galaxias, según publica hoy la revista Nature. Para realizar el estudio los investigadores se han basado en una muestra de unas 70 000 galaxias y han definido un nuevo parámetro de cuantificación.

Un grupo de científicos del Observatorio de la Universidad de Princeton (EE UU) y del Instituto de Física Teórica de la Universidad de Zurich (Suiza) han puesto a prueba la teoría de la relatividad general de Einstein y concluyen que realmente funciona a escalas grandes, entre dos y 50 megapársecs (un pársec equivalente a 3,2616 años luz) en un desplazamiento hacia el rojo de 0,32 dentro del espectro.
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El campo magnético de la Tierra, que nos protege de los letales rayos del Sol, surgió en el núcleo del planeta incluso antes de lo que se pensaba en la historia de la Tierra. Aunque este campo, hace 3450 millones de años, no era lo bastante potente para dar refugio a la vida en la Tierra, nuevos hallazgos sugieren que el joven planeta era significativamente más húmedo de lo que es ahora. Todo esto, de acuerdo con un grupo de investigadores que han descubierto un antiguo campo magnético congelado en rocas de Sudáfrica.

John Tarduno de la Universidad de Rochester en los Estados Unidos, y su equipo, detectaron el campo en una muestra de rocas volcánicas recolectadas en el Cinturón de Barberton Greenstone. Cuando se solidificaron estas rocas, un número de diminutas inclusiones magnéticas – atrapadas en el interior de la roca fundida – se alinearon con el campo magnético de la Tierra. De esta forma, las rocas volcánicas actúan como dispositivos de grabación, captando la fuerza y configuración del antiguo campo.
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Brian Greene dice que la Teoría de Cuerdas es aún científica incluso si no es falsable.

En la década de 1960, el físico italiano Gabriele Veneziano desarrolló una teoría para explicar el funcionamiento interno del átomo y falló – al principio. Ahora, muchos científicos creen que una versión mejorada de su conjetura, conocida como Teoría de Cuerdas, puede hacer mucho más que simplemente explicar el átomo. Podría ser la esquiva Teoría del Todo, un conjunto de leyes universales que gobiernan todas las cosas, desde el quark más pequeño en el átomo al mayor cúmulo de galaxias, desde el Big Bang hasta el presente.

La Teoría de Cuerdas explica qué podrías ver si aumentas sin límite, más allá de las células que componen tu cuerpo, de los átomo que forman esas células, de los electrones y gluones de los que están hechos esos átomos, hasta la escala de una quintillonésima de centímetro. A ese nivel, de acuerdo con la teoría, están las bases de todas las partículas y fuerzas del universo: unas hebras de energía unidimensionales, o “cuerdas”, vibrando en nueve dimensiones. Esto parece ir totalmente contra el sentido común, pero muchos científicos concuerdan en que es la aproximación más prometedora para explicar las leyes de la física.
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