Hoy (14 de abril) marca el Día Mundial de la Quantum de 2025, una celebración internacional celebrada para promover la comprensión pública de la ciencia cuántica.
La fecha, 4/14, fue elegida porque 4.14 representa los primeros tres dígitos de la constante de Planck (4.135667696 x 10-15 Electron Volts por Hertz, redondeado a 4.14 x 10-15) – Un número importante en física cuántica.
Física cuántica es la rama de la ciencia que se ocupa de las partículas más pequeñas del universo, como átomos, electrones, fotones (partículas de luz) y otras partículas subatómicas como los quarks.
En el mundo cotidiano, a la escala que podemos ver, las cosas tienden a seguir las leyes de la física clásica. Sin embargo, cuando se acerca a las partículas más pequeñas, la física clásica deja de funcionar bastante bien y las reglas de mecánica cuántica entrar en juego.
Algunos de los conceptos clave de la física cuántica son que partículas como los electrones pueden comportarse como olas, y viceversa (conocida como dualidad de partículas de onda); Dos partículas se pueden vincular de tal manera que si mide una, al instante sabe algo sobre el otro (enredo cuántico); y una partícula cuántica puede estar en múltiples estados a la vez hasta que se observa (superposición cuántica).
¿Qué es la superposición cuántica?
En la vida cotidiana, algo solo puede estar en un estado a la vez: un interruptor de luz está encendido o apagado, un gato está muerto o vivo. En el mundo cuántico, las cosas no funcionan de la misma manera. La superposición cuántica describe cómo una partícula cuántica, como un electrón, un fotón o incluso un átomo, puede existir en múltiples estados diferentes al mismo tiempo, al mismo tiempo. Hasta que se mide. Antes de que se observe, no está a medio camino entre los estados, sino que es una “superposición” de los dos a la vez.
En física cuántica, el estado de una partícula es descrito por una ola ecuación, que nos dice las probabilidades de dónde podría ser una partícula o cuáles podrían ser sus propiedades. Esta onda de probabilidad puede existir en una mezcla de múltiples estados.
¿Qué es el gato de Schrödinger?
Cat de Schrödinger es un famoso experimento mental que ilustra cómo funciona la superposición. Imagine un gato en una caja con un mecanismo que tiene una posibilidad de 50/50 de matarlo, dependiendo de si una partícula cuántica decae radiactivamente, cambiando espontáneamente en un tipo diferente de átomo y liberando partículas radiactivas como electrones.
Hasta que alguien abre la caja y la observa, se considera que el gato está en una superposición de vivo y muerto. Cuando mide u observa el sistema, o en el caso de la mirada del gato de Schrödinger dentro de la caja, la superposición se asienta en un estado definido y se descubre el destino del gato.
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La superposición cuántica ha sido observado experimentalmente por científicos en múltiples ocasiones. Un ejemplo famoso es el Experimento de doble coladonde los fotones se disparan a una barrera con dos hendiduras, detrás de la cual hay una pantalla AA que registra dónde aterrizan las partículas. Si envía partículas a través de una hendidura, obtiene una sola banda en la pantalla, pero si abre ambas, obtiene un patrón de interferencia similar a una onda con múltiples bandas en la pantalla, lo que también demuestra que las partículas y las ondas pueden actuar entre sí. Enviando una partícula a la vez, esperaría que cada una pase por una hendidura u otra. Sin embargo, el patrón de interferencia aún se acumula, como si cada partícula se interfiera consigo misma. Esto significa que cada sola partícula está pasando de alguna manera ambas ranuras a la vez y, por lo tanto, está en una superposición de ambas posibilidades
Si intenta medir qué ranura pasa la partícula, la superposición colapsa: la partícula parece haber pasado a través de una sola hendidura y el patrón de interferencia desaparece, dejando solo dos bandas en la pantalla.
Además, iones y moléculas más grandes han sido atrapados experimentalmente en un estado superpuesto, y se ha descubierto la clorofila en las hojas de las plantas Utilice la superposición cuántica para cosechar más eficientemente del sol.
¿Por qué la superposición es tan importante en la computación cuántica?
La superposición cuántica también se usa como herramienta en computación cuántica y es la razón principal por la que las computadoras cuánticas pueden ser tan potentes.
Un bit binario clásico solo puede estar en un estado a la vez: 0 o 1. Estos bits están codificados en transistores, generalmente hechos de silicio, germanio u otros semiconductores. Con tres bits presentes, pueden tener un potencial de 8 estados diferentes: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 y 111. Para procesar todas las posibilidades, una computadora clásica tiene que verificarlas una a la vez.
En las computadoras cuánticas, las partículas como electrones o fotones actúan como un qubit (bit cuántico), que puede estar en una superposición de 0 y 1. Tres qubits pueden estar en una superposición de los 8 estados posibles a la vez, lo que significa que las computadoras cuánticas pueden procesar un número mucho mayor de cálculos simultáneamente. Con tres qubits presentes, una computadora cuántica podría procesar los ocho estados enumerados anteriormente a la vez.
Esta potencia de procesamiento mucho mayor que las computadoras tradicionales podría significar que las computadoras cuánticas podrían algún día usarse para realizar simulaciones complejas en productos farmacéuticos, modelado climático y fabricación. En teoría, una computadora cuántica lo suficientemente potente puede realizar cálculos en segundos que habrían tomado el supercomputadoras más poderosas millones de años para completar.
