viernes, 24 de agosto de 2007

Cómo colapsar paso a paso y sobrevivir para contarlo.

La evolución irreversible de un sistema microscópico al ser medido es un aspecto fundamental de la teoría cuántica. Desde un estado inicial que presenta incertidumbre cuántica en el observable que vamos a medir, el sistema evoluciona a un estado en el que el observable se conoce con precisión. Su valor es aleatorio con una probabilidad determinada por el estado inicial del sistema. La evolución que provoca la medición (conocida como “colapso del estado”) puede ser progresiva, acumulando los efectos de cambios de estado elementales. En un artículo aparecido ayer en Nature [ver enlace abajo] el equipo dirigido por Michel Brune y Serge Haroche, de la Universidad Pierre y Marie Curie de París, anuncia la confirmación experimental de este fenómeno empleando para ello un ensayo de no-demolición cuántica, cuyo método fue desarrollado por los autores en 1999. El experimento usa átomos para contar el número de fotones en una caja sin destruirlos.

Los fotones se detectan tradicionalmente convirtiendo su energía en una señal eléctrica, que destruye el fotón en el proceso (efecto fotoeléctrico). Un problema adicional en las mediciones cuánticas es que si una variable, por ejemplo la posición, se mide con precisión, la consiguiente imprecisión en una variable incompatible (por el principio de incertidumbre de Heisenberg), en el ejemplo sería el momento, significará que futuras medidas de la posición darán diferentes resultados. Para los fotones la intensidad (número de fotones) y la fase están relacionadas por el principio de incertidumbre.

El método consiste en seleccionar con un láser átomos de rubidio con una velocidad bien definida para después llevarlos a un estado Rydberg. Un estado Rydberg corresponde a poner un electrón en una órbita cuyas dimensiones son muy grandes comparadas con el tamaño del resto del átomo (del ión diríamos si el electrón no estuviese todavía ligado al átomo). Un átomo en este estado se vuelve extremadamente sensible a las influencias externas y tiene una enorme probabilidad de interaccionar con la radiación de microondas. Los átomos así preparados se introducen en una cavidad de niobio (cuyas paredes son espejos superconductores) que puede almacenar fotones de microondas durante 1 milisegundo. Si no hay fotón en la cavidad no le pasa nada al átomo, pero si lo hay, la fase de la función de onda que describe el átomo cambia, porque el electrón externo cambia de estado, y esto puede ser detectado usando técnicas de interferencia. El ritmo de oscilación entre estados de los electrones de un átomo dependerá por tanto del número de fotones.

En el experimento se mantuvieron a los fotones de un campo coherente de microondas dentro de la cavidad. Como indicábamos arriba, el hecho de ser coherente (misma fase) implica que se desconoce el número de fotones antes de la medición, diremos que el sistema está en un estado de superposición del número de fotones. Para cada medición del ritmo de oscilación de un átomo los investigadores obtienen una respuesta diferente acerca del número de fotones que hay. Con una cantidad considerable de mediciones la distribución de valores del número de fotones empieza a centrarse en un número particular, mostrando que el sistema está colapsando a un estado bien definido. Estamos observando el colapso paso a paso del estado, sin destruir los fotones.

Y como predice la naturaleza probabilística de la mecánica cuántica, si se repite el procedimiento de medida, este estado (este número de fotones) puede muy bien ser diferente.


Original: http://www.nature.com/nature/journal/v448/n7156/abs/nature06057.html
Physics World: http://physicsworld.com/cws/article/news/30913#container