Nuevos Cálculos De Partículas Cuánticas Hacen Ondas En El Campo

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Los investigadores desarrollaron una técnica para calcular las funciones de onda cuántica 350 veces más rápido que los métodos anteriores.

La computación cuántica, la comunicación inalámbrica segura y los avances en la teletransportación cuántica podrían estar más cerca de la realidad ahora que un equipo de investigadores ha desarrollado una forma más eficiente de medir las funciones de onda que describen el extraño comportamiento de estas partículas subatómicas.

En el ámbito de lo muy pequeño, un campo llamado mecánica cuántica, las partículas pueden existir en múltiples lugares a la vez, un fenómeno llamado superposición. Para describir el gran número de posiciones y velocidades que una partícula puede tener en un momento dado, los físicos usan funciones de onda, que son esencialmente ecuaciones de probabilidad.

La computación cuántica y la teletransportación cuántica se basan en partículas que existen en múltiples lugares a la vez. Por ejemplo, la superposición de las partículas permite a las computadoras realizar cálculos y transferir información mucho más rápido que las computadoras convencionales. [Física loca: las partículas cuánticas más frescas explicadas]

Pero para que la computación cuántica y la teletransportación cuántica funcionen, ambos necesitan enormes sistemas con muchas partículas cuánticas que interactúan para crear muchas dimensiones. Los enormes sistemas multidimensionales tienen funciones de onda complicadas que el antiguo método no es lo suficientemente eficiente para medir, dijo a WordsSideKick.com Mohammad Mirhosseini, un estudiante graduado de la Universidad de Rochester y autor principal del artículo que describe la nueva técnica. El nuevo método hace posible calcular las funciones de onda mucho más rápido y podría ayudar a los científicos a desarrollar aún más la tecnología cuántica.

Encontrando funciones de onda

Anteriormente, la única forma de calcular la función de onda de un sistema cuántico era tomar un gran número de mediciones y luego estimar una función, o ecuación, que se ajustara mejor a todas las mediciones. La técnica antigua, llamada "medición directa", hizo posible medir la función de onda midiendo débilmente la posición y midiendo fuertemente el momento. Esa técnica funciona bien para sistemas pequeños sin muchas dimensiones, pero a medida que un sistema se hace más y más grande, se vuelve cada vez más difícil de medir, dijo Mirhosseini.

La nueva técnica, llamada "medición directa comprimida", utiliza una serie de mediciones aleatorias de la posición y el momento de las partículas en un estado cuántico. Luego, un algoritmo encuentra la función de onda que mejor se adapta al puñado de mediciones.

La nueva técnica es 350 veces más rápida y solo requiere el 20 por ciento de las mediciones que requería la técnica anterior. Los investigadores probaron la técnica por primera vez midiendo partículas de luz en un estado cuántico de 192 dimensiones (las dimensiones se crean cuando se enredan muchas partículas cuánticas). La función de onda que calcularon resultó ser precisa, de modo que luego tomaron un estado gigante de 19,200 dimensiones. Los resultados produjeron funciones de onda con una precisión del 90 por ciento.

"Reproducir nuestro resultado utilizando solo una medición directa requeriría más de un año de tiempo de exposición", dijo en un comunicado Seyed Mohammad Hashemi Rafsanjani, un estudiante graduado que trabajó en el proyecto. "Hicimos el experimento en menos de 48 horas". [Los 9 mayores misterios sin resolver en la física]

Tecnología cuántica

La compresión ya se usa en medios digitales para empaquetar mucha información dentro de pequeños archivos. Por ejemplo, los MP3 son archivos de audio comprimidos y los JPEG son imágenes comprimidas. Para las imágenes digitales, cuantos más píxeles se capturen, mayor será la calidad de la imagen. Pero la mayoría de los píxeles no son realmente necesarios para completar la imagen y se pueden reconstruir más adelante para completar la imagen. La nueva técnica elimina ese paso adicional de capturar datos innecesarios.

"En lugar de tomar muchas mediciones y comprimirlas más tarde, esta técnica solo mide las partes esenciales", dijo Mirhosseinisaid.

La medición directa comprimida de Mirhosseinisaid podría ser importante en la computación cuántica. Las computadoras normales manejan "bits" de información representada por unos y ceros, pero una computadora cuántica puede procesar "qubits" de información representada por uno o un cero al mismo tiempo, al igual que las partículas cuánticas pueden estar en múltiples lugares a la vez.

La medición directa comprimida también podría ser un paso adelante para ayudar a los investigadores a alcanzar la velocidad de terahertz que hasta ahora ha resultado difícil de transferir datos. La increíble velocidad viene en forma de rayos T de radiación terahertz. Los rayos T caen entre las microondas y la luz infrarroja en el espectro electromagnético. Las olas pueden pasar a través de la mayoría de los materiales como el papel y la ropa; esa propiedad explica por qué los escáneres de seguridad del aeropuerto usan radiación de terahertz. Sin embargo, las olas son difíciles de detectar y manipular, y los científicos tienen dificultades para utilizarlas en los medios digitales.

La técnica también podría ser útil para proyectos de seguridad bancaria y para desarrollar la distribución de claves cuánticas, Mirhosseinisaid. La distribución de claves cuánticas permite que dos partes creen una clave secreta que solo pueden usar para cifrar y descifrar mensajes. Cuando alguien intenta medir las partículas en un estado cuántico, su función de onda colapsa. Lo mismo sucedería si un tercero intentara acceder a la clave: una acción de este tipo revelaría una violación de la seguridad.

"Quantum es todavía una idea bastante nueva en tecnología y aún es una ciencia emergente", dijo Mirhosseini.

El artículo fue publicado el 27 de agosto en Physical Review Letters.

Sigue a Kelly Dickerson en Gorjeo. Síguenos @wordssidekick, Facebook & Google+. Artículo original sobre Ciencia viva.


Suplemento De Vídeo: Física Cuántica.




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