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  • Writer's pictureAlice Meraviglia

Las fenómenos cuánticos pueden existir en el mundo macroscópico?

Updated: Jan 23, 2022

2021 Oct 03

Científicos de la Universidad de Viena y de la Academia Austriaca de Ciencias han demostrado que es posible preservar totalmente la estructura matemática de la teoría cuántica en el ámbito macroscópico.


Una de las características más fundamentales de la física cuántica es la no localidad de Bell: el hecho de que las predicciones de la mecánica cuántica no pueden explicarse con ninguna teoría local (clásica). Esto tiene notables consecuencias conceptuales y aplicaciones de gran alcance en la información cuántica. Sin embargo, en nuestra experiencia cotidiana, los objetos macroscópicos parecen comportarse según las reglas de la física clásica, y las correlaciones que vemos son locales. ¿Es realmente así, o podemos cuestionar esta visión?


En un artículo publicado recientemente en Physical Review Letters, científicos de la Universidad de Viena y del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica (IQOQI) de la Academia Austriaca de Ciencias han demostrado que es posible preservar completamente la estructura matemática de la teoría cuántica en el ámbito macroscópico. Esto podría conducir a la observación de la no localidad cuántica a escala macroscópica.


Nuestra experiencia cotidiana nos dice que los sistemas macroscópicos obedecen a la física clásica. Por eso, es natural esperar que la mecánica cuántica deba ser una reproducción de la mecánica clásica en el ámbito macroscópico. Esto se conoce como el principio de correspondencia, establecido por Bohr en 1920 [1].


Un argumento sencillo para explicar esta transición de la mecánica cuántica a la mecánica clásica es el mecanismo de la granulación gruesa:[2] si las mediciones realizadas en sistemas macroscópicos tienen una resolución limitada y no pueden distinguir las partículas microscópicas individuales, los resultados se comportan de forma clásica. Este argumento, aplicado a las correlaciones (no locales) de Bell,[3] lleva al principio de localidad macroscópica[4]. Del mismo modo, las correlaciones cuánticas temporales se reducen a correlaciones clásicas (realismo macroscópico)[2] y la contextualidad cuántica se reduce a la no contextualidad macroscópica[5].


Se creía firmemente que la transición de lo cuántico a lo clásico es universal, aunque faltaba una prueba general. Para ilustrar este punto, tomemos el ejemplo de la no localidad cuántica. Supongamos que tenemos dos observadores distantes, Alice y Bob, que quieren medir la fuerza de la correlación entre sus sistemas locales. Podemos imaginar una situación típica en la que Alice mide su pequeña partícula cuántica y Bob hace lo mismo con la suya y combinan sus resultados observacionales para calcular la correlación correspondiente.


Como sus resultados son intrínsecamente aleatorios (como ocurre siempre en los experimentos cuánticos), deben repetir el experimento un gran número de veces para encontrar la media estadística de las correlaciones. El supuesto clave en este contexto es que cada ejecución del experimento debe repetirse exactamente en las mismas condiciones y de forma independiente de otras ejecuciones, lo que se conoce como el supuesto IID (independiente e idénticamente distribuido). Por ejemplo, al lanzar una moneda al azar, tenemos que asegurarnos de que cada lanzamiento es justo e imparcial, lo que da lugar a una probabilidad medida de (aproximadamente) el 50% de cara o cruz después de muchas repeticiones.


Tal suposición desempeña un papel central en las pruebas existentes para la reducción a lo clásico en el ámbito macroscópico [2,3,5]. Sin embargo, los experimentos macroscópicos consideran racimos de partículas cuánticas empaquetadas y medidas con una resolución limitada (coarse-graining = granulación gruesa). Estas partículas interactúan entre sí, por lo que no es natural suponer que las correlaciones a nivel microscópico se distribuyan en unidades de pares independientes e idénticas. Si es así, ¿qué ocurre si abandonamos la suposición de IID? ¿Seguimos logrando la reducción a la física clásica en el ambientes con un gran número de partículas (clásicos)?


En su reciente trabajo, Miguel Gallego (Universidad de Viena) y Borivoje Dakić (Universidad de Viena e IQOQI) han demostrado que, sorprendentemente, las correlaciones cuánticas sobreviven en el límite macroscópico si las correlaciones no se distribuyen en IID a nivel de constituyentes microscópicos.


"La suposición de IID no es natural cuando se trata de un gran número de sistemas microscópicos. Las partículas cuánticas pequeñas interactúan fuertemente y las correlaciones cuánticas y el entrelazamiento se distribuyen por todas partes. Ante este escenario, revisamos los cálculos existentes y pudimos encontrar un comportamiento cuántico completo a escala macroscópica. Esto va completamente en contra del principio de correspondencia, y la transición a lo clásico simplemente no tiene lugar", afirma Borivoje Dakić.


Al considerar los aspectos observables de las fluctuaciones (desviaciones de los valores esperados) y una determinada clase de estados de muchos cuerpos entrelazados cuánticamente (estados no IID), los autores muestran que toda la estructura matemática de la teoría cuántica (por ejemplo, la regla de Born y el principio de superposición) se conserva en el ámbito macroscópico. Esta propiedad, que denominan comportamiento cuántico macroscópico, les permite demostrar directamente que la no localidad de Bell es visible en el mundo macroscópico.


"Es sorprendente tener reglas cuánticas a escala macroscópica. Sólo tenemos que medir las fluctuaciones, las desviaciones de los valores esperados, y veremos fenómenos cuánticos en sistemas macroscópicos. Creo que esto abre la puerta a nuevos experimentos y aplicaciones", afirma Miguel Gallego.


Notas

1. Bohr, N. (1920). Über die Serienspektra der Elemente. Zeitschrift für Physik, 2 (5), 423-469.
2. Kofler, J., & Brukner, Č. (2007). Classical world arising out of quantum physics under the restriction of coarse-grained measurements. Physical Review Letters, 99 (18), 180403.
3. Bell, J. S. (1964). On the Einstein Podolsky Rosen paradox. Physics Physique Fizika, 1 (3), 195.
4. Navascués, M., & Wunderlich, H. (2010). Una mirada más allá del modelo cuántico. Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 466 (2115), 881-890.
5. Henson, J., & Sainz, A. B. (2015). Macroscopic noncontextuality as a principle for almost-quantum correlations. Physical Review A, 91(4), 042114.

Referencia:
Macroscopically Nonlocal Quantum Correlations de Miguel Gallego y Borivoje Dakić, 16 de septiembre de 2021, Physical Review Letters.

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