El sombrero de Schrodinger

Un equipo internacional de físicos ha propuesto un nuevo dispositivo que podría detectar la presencia de ondas o partículas, sin apenas ser utilizado. Llamado “Sombrero de Schrödinger”, el dispositivo aún no se ha construido en el laboratorio, pero el equipo cree que algún día podría ser usado como un nuevo tipo de sensor para sistemas cuánticos de información.

En el mundo microscópico de la mecánica cuántica, la observación directa de la propiedad de una partícula: la posición de un electrón, por ejemplo, crea el colapso de la función de onda de la partícula. El resultado es que la partícula ha cambiado de manera significativa.

En la década de 1990, los físicos Avshalom Elitzur y Vaidman Lev de la Universidad de Tel Aviv en Israel señalaron que no siempre era necesario observar las partículas directamente para aprender algo de su naturaleza. Los investigadores imaginaron un montón de bombas, cada una de ellas  diseñada para ser activada por la absorción de un solo fotón. Algunas de las bombas son de fogueo y son atravesadas por los fotones sin problema. Se puede comprobar si una bomba funciona por la señal de que hay un fotón en ella, pero, si la bomba solo parecía estar operativa, sería destruida en el proceso. ¿Habría una manera de eliminar las bombas que funcionan además de parecerlo sin destruirlas?

La respuesta es sí, según Elitzur y Vaidman. A su juicio, mediante un interferómetro: un dispositivo mediante que divide la trayectoria de un fotón en dos caminos, para volver a combinarlos en un conjunto de detectores a cierta distancia. Para probar una bomba,  tendría que ser colocado en un brazo del interferómetro. Una bomba falsa no tendría ningún efecto sobre el fotón, y el fotón pasaría a través de ambos brazos, generando un patrón de interferencia en los detectores. Una bomba que funcionara, por el contrario, obligaría al fotón a “elegir” que camino tomar. Si toma el lado de la bomba, la bomba, lamentablemente, se dispara. Si el fotón tomó el camino vacío, alcanzará los detectores sin obstáculos; pero se bloqueo en el  otro camino, por lo que no habría patrón de interferencia. Esta falta de un patrón de interferencia revela la existencia de una bomba operativa sin haberla disparado.

En 1994, Anton Zeilinger, de la Universidad de Innsbruck, Austria, y sus colegas demostraron en un experimento real de que esas medidas “libres de la interacción” eran posibles. Ahora, sin embargo, el matemático Gunther Uhlmann de la Universidad de Washington en Seattle y sus colegas pueden haber llegado a una forma más fácil para llevar a cabo tales medidas; con un poco de ayuda de la ciencia de capas de invisibilidad.

Demostradas por primera vez en 2006, las capas de invisibilidad pueden ser entendidas como una analogía con la teoría de la relatividad general de Einstein. Esta teoría muestra cómo los objetos muy masivos distorsionan el tejido subyacente del universo, el espacio-tiempo. De la misma manera, ciertas estructuras artificiales conocidas como metamateriales distorsionan un tejido equivalente, un “espacio óptico” virtual. Los metamateriales distorsionan el espacio óptico a través de un índice de variación espacial de refracción, la propiedad que rige cómo la luz se curva cuando pasa de un medio a otro. Al estirar un agujero en el espacio óptico, las capas de invisibilidad pueden proteger a un pequeño objeto de la luz y los rayos de luz pasan suavemente, como si el objeto no estuviera allí.

En la práctica, sin embargo, no toda la luz pasa alrededor de las capas de invisibilidad; a menudo, una pequeña cantidad se escapará si el interior de la capa tenía casi la misma frecuencia resonante que la de la luz entrante, por ejemplo, la energía que la onda acumularía, formando una excitación localizada. Esta excitación se comporta como una partícula, que el grupo ha bautizado como “quasmon”. Este quasmon podría entonces ser liberado mediante una ligera alteración de la frecuencia resonante del manto, quizás mediante la aplicación de un campo magnético débil.

Matti Lassas, un miembro del grupo de Uhlmann con sede en la Universidad de Helsinki, explica que el equipo llama a la invisibilidad modificada “sombrero de Schrödinger”, porque pequeñas “piezas” de las ondas o funciones de onda pueden ser secretamente guardadadas, algo así como un mago y su sombrero. Y el truco es que el resto de la onda variaría muy poco. Fuera de sombrero de Schrödinger, dice Lassas, la función de onda sería “la función de onda de edad multiplicada por una constante que puede ser muy pequeña”.

El potencial del ombrero de Schrödinger se puede ver en el ejemplo de un electrón en una caja. Aunque la función de onda del electrón se extiende por todo el cuadro, un científico puede ser capaz de adivinar la ubicación de áreas en las que se reduce a cero. Los científicos podrían colocar un sombrero de Schrödinger en una ubicación, sin temor a que el electrón “notara” la presencia del sensor y colapsara en un estado definido. Si el experimento se repitiera varias veces, el científico podría ser capaz de trazar lo que el electrón definitivamente no es y al hacerlo, aprender algo acerca de que lo que realmente es.

Igor Smolyaninov de la Universidad de Maryland, College Park, EE.UU., lo describe como “una propuesta interesante”. Smolyaninov, que no estuvo involucrado en la investigación dice que “La medición de la función de onda cuántica sin perturbaciones encontraría importantes aplicaciones en muchos campos de la ciencia básica y, en particular el cálculo, cuántico.“ Y añade, sin embargo, que un sombrero de Schrödinger, será difícil de hacer, ya que tendrá propiedades que varían enormemente en una región muy estrecha.

Ulf Leonhardt, miembro del grupo Uhlmann con sede en la Universidad de St Andrews en el Reino Unido, dice que un dispositivo que funcione para microondas podría ser hecho con una placa de circuito-materiales. Un dispositivo para plasmones -ondas de electrones en los metales- podría estar hecho de metal y anillos de plástico. Él piensa que un sombrero de Schrödinger, incluso podría ser desarrollado para el sonido -lo que permitiría a sus usuarios escuchar un sonido sin perturbaciuones.

El trabajo se describe en un próximo artículo en  Proceedings of the National Academy of Sciences.

Autor: John Cartwright

Enlace original: Schrodinger´s hat could spy on quantum particles