Creado:
27.01.2025 | 22:08
Actualizado:
27.01.2025 | 22:08
El mundo cuántico parece un universo completamente diferente al que experimentamos cada día. Mientras que en nuestra realidad cotidiana las cosas tienen posiciones y velocidades bien definidas, a nivel cuántico las partículas pueden estar en varios lugares a la vez o no tener un valor concreto hasta ser medidas. Este contraste plantea una pregunta fascinante: ¿cómo puede el extraño comportamiento cuántico dar lugar a las reglas claras y predecibles del mundo clásico? Ya hemos tratado una respuesta a esta pregunta mediante la decoherencia cuántica, pero esta vez traemos una propuesta novedosa.
Un estudio subido a la plataforma arXiv, "Emergence of classical realism under successive noncommuting measurements", nos ofrece una respuesta novedosa a esta cuestión. Realizado por un grupo de investigadores del Departamento de Física de la Universidad Federal de Paraná (Brasil), el trabajo propone que no se necesitan entornos infinitamente complejos para pasar del mundo cuántico al clásico, como se había planteado en teorías anteriores. En cambio, bastaría con realizar varias mediciones sucesivas de propiedades "incompatibles" (observables que no se pueden medir con precisión al mismo tiempo) para forzar la transición a una realidad clásica. Este hallazgo abre una ventana hacia una comprensión más accesible de este fenómeno fundamental.
Eugenio M. Fernández Aguilar
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Eugenio M. Fernández Aguilar
¿Qué significa que nuestro mundo no es cuántico?
Aunque la física cuántica describe con éxito el comportamiento de las partículas pequeñas, como electrones o átomos, no parece aplicar directamente al mundo macroscópico que nos rodea. Por ejemplo, un lápiz sobre una mesa está en un solo lugar, no en una "superposición cuántica" de varios sitios a la vez. Esto parece chocar con principios cuánticos como el de superposición o entrelazamiento, que definen el comportamiento a escalas microscópicas.
En física, este contraste se conoce como el problema de la transición cuántico-clásica. ¿Qué mecanismos hacen que el comportamiento cuántico "extraño" desaparezca cuando miramos objetos grandes? Tradicionalmente, los científicos han explicado esta transición mediante el concepto de decoherencia cuántica, un proceso en el cual el entorno (como el aire, los fotones o cualquier sistema externo) interactúa con las partículas y elimina sus propiedades cuánticas. Sin embargo, esta explicación a menudo requiere entornos muy complejos o infinitos grados de libertad, lo que hace difícil probarla en la práctica.
El nuevo enfoque propuesto por Fucci, Gaissler y Angelo elimina esta necesidad de un entorno tan complicado. Según su estudio, basta con realizar mediciones sucesivas de ciertos observables incompatibles para que el sistema evolucione hacia un estado clásico, donde las propiedades tienen valores definidos y se comportan de manera "normal".
Comparativa visual del mundo cuántico y el mundo clásico. Fuente: ChatGPT / Eugenio Fdz.
¿Qué son las mediciones sucesivas y por qué son importantes?
En física cuántica, las mediciones sucesivas son observaciones realizadas sobre un sistema una tras otra. Pero hay un detalle crucial: algunas propiedades físicas, llamadas observables incompatibles, no pueden medirse con precisión al mismo tiempo. Por ejemplo, la posición y el momento de una partícula son observables incompatibles debido al principio de incertidumbre de Heisenberg.
El artículo demuestra que al medir de manera repetida dos observables incompatibles, como la posición y el momento, el sistema se "obliga" a comportarse de manera más clásica. Este proceso es como una interacción constante entre el sistema y el "entorno de medición", donde las propiedades cuánticas del sistema se van perdiendo gradualmente. El resultado final es un estado en el que las propiedades del sistema son más definidas y "realistas".
La "irreality": una herramienta matemática para medir el paso a lo clásico
En el artículo, los autores utilizan el concepto de "irreality",que podemos traducir como "irrealidad", para describir cuánto se aleja un sistema cuántico de tener propiedades clásicas bien definidas. Este término, definido matemáticamente, permite cuantificar la "realidad" de un observable físico dentro de un sistema cuántico. En esencia, cuanto mayor sea la irreality, más "cuántico" será el sistema; y cuanto menor sea, más cerca estará de comportarse de manera clásica.
La irreality de un observable A para un estado cuántico ρ se expresa mediante la ecuación:
Donde:
S es la entropía de von Neumann, que mide el desorden de un sistema.
La entropía relativa, representada como S(ρ∣∣ΦA(ρ))S(ρ∣∣ΦA(ρ)), cuantifica la diferencia entre el estado original (ρρ) y el estado que resulta tras una medición no selectiva (ΦA(ρ)ΦA(ρ)).
En términos simples, esta ecuación mide cuánto cambia el sistema después de una medición, reflejando la irreality asociada al observable AA.
El resultado clave del estudio es que, con suficientes mediciones de observables incompatibles (propiedades físicas que no pueden conocerse al mismo tiempo, como la posición y el momento), la irreality disminuye progresivamente. Esto significa que el sistema pierde sus características cuánticas y se aproxima a un estado clásico. Esta transición no requiere un entorno infinito ni condiciones extremas, a diferencia de lo que sugieren teorías tradicionales como la decoherencia. Es un avance importante para comprender cómo surge el mundo clásico desde las reglas cuánticas.
Representación imaginaria de una esfera de Bloch. Fuente: ChatGPT / Eugenio Fdz.
Ejemplo práctico: el caso del qubit
Un ejemplo simple utilizado en el artículo es el de un qubit, que es la unidad más básica de información cuántica. Un qubit puede representarse en un modelo visual llamado esfera de Bloch, donde su estado cuántico está indicado por un punto dentro de una esfera. En el mundo clásico, ese punto debería estar en una posición fija, pero en el mundo cuántico puede moverse o estar indefinido.
En este caso, los investigadores muestran que si un qubit está sujeto a mediciones sucesivas de dos observables incompatibles, su estado evoluciona hacia una posición más fija dentro de la esfera de Bloch. Este proceso lo convierte en un sistema más clásico. Según los autores, este resultado no depende de condiciones específicas y puede extenderse a sistemas más grandes y complejos.
Diferencias con teorías anteriores
El concepto de decoherencia, propuesto por físicos como Wojciech Zurek, había dominado el debate sobre la transición cuántico-clásica. En esta teoría, el entorno externo interactúa con un sistema cuántico, "borrando" sus propiedades cuánticas al distribuir la información en el entorno. Este proceso se basa en la interacción con muchos grados de libertad, como ocurre en la teoría del Darwinismo cuántico, donde el entorno también juega un papel en hacer "objetiva" la información del sistema.
Sin embargo, el enfoque del nuevo estudio es más directo. Según los autores, "un entorno con infinitos grados de libertad no es necesario para que emerja la realidad clásica". Las mediciones repetidas de un entorno más pequeño o incluso por parte de observadores pueden ser suficientes para lograr este cambio. Además, destacan que su modelo es más simple de estudiar matemáticamente y más fácil de probar experimentalmente.
Según su estudio, basta con realizar mediciones sucesivas de ciertos observables incompatibles para que el sistema evolucione hacia un estado clásico. Fuente: ChatGPT / Eugenio Fdz.
Implicaciones de este hallazgo
Este enfoque tiene implicaciones importantes para nuestra comprensión de la física cuántica y el mundo clásico. Demuestra que las propiedades clásicas pueden surgir sin necesidad de complicados entornos externos, lo que simplifica nuestra visión de la transición cuántico-clásica. Además, abre la puerta a nuevas investigaciones sobre cómo las mediciones afectan los sistemas cuánticos en la práctica.
Los autores también destacan que este modelo podría extenderse a sistemas más grandes y estudiar cómo emergen las propiedades clásicas en objetos más complejos. Este trabajo, según los propios investigadores, "refuerza la idea de que la mecánica cuántica es una teoría universal que recupera el comportamiento clásico bajo ciertas condiciones".
El estudio realizado por Fucci y sus colegas presenta un avance significativo en nuestra comprensión de la transición cuántico-clásica. Al proponer que las mediciones sucesivas de observables incompatibles son suficientes para hacer emerger un comportamiento clásico, eliminan la necesidad de entornos infinitos o extremadamente complejos. Este enfoque no solo es más simple, sino también más accesible para estudios experimentales.
Si bien aún quedan preguntas abiertas, como la aplicación de este modelo a sistemas más grandes o el papel de otros tipos de mediciones, este trabajo marca un paso importante hacia una comprensión más clara de cómo el mundo cuántico da lugar al mundo clásico que experimentamos cada día.
Referencias
D. M. Fucci, L. F. Gaissler y R. M. Angelo. Emergence of classical realism under successive noncommuting measurements. arXiv, 2501.14150v1 (2025). DOI: 10.48550/arXiv.2501.14150
Fuente:
Autor: efernandez
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