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Los principios de la mecánica cuántica




Enviado por Pablo Turmero



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    Desde 1927, año que marcó el punto culminante del
    proceso de creación de la Mecánica Cuántica,
    se han desarrollado, a partir de ella, importantes aplicaciones
    científicas y tecnológicas, que permiten afirmar
    que es la teoría física con mayor éxito.
    Habiendo sido aplicada en diversas áreas, desde la
    física de partículas, atómica y molecular,
    la astrofísica, la biología y la química,
    sus logros en el área de la materia condensada han
    modificado nuestro mundo. Antimateria, láser,
    transistores, código genético, física
    nuclear y microordenadores son algunas de las marcas de nuestro
    tiempo que deben ser asociadas al surgimiento de la
    Mecánica Cuántica.

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    En el terreno teórico podemos rápidamente nombrar
    que en la década de 1930 se establece la carrera por la
    explicación del núcleo atómico, llevando al
    descubrimiento de un tipo nuevo de fuerza – la de
    interacción nuclear o fuerte ( y también a la bomba
    atómica . . . ) Descubrimiento de multitud de nuevas
    partículas – vuelta al horror al vacío de los
    griegos. . . Unión entre la biología, la
    química y la física. Por medio de ella fue posible
    la comprensión de la tabla periódica de elementos y
    de los procesos de construcción de las moléculas.
    En la biología, surge una nueva disciplina, la
    biología molecular que permite descifrar la estructura del
    ADN– usando la cristalografía de RX

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    En el área tecnológica, limitándonos solo a
    algunos ejemplos significativos podríamos nombrar que la
    microelectrónica y por tanto toda la informática
    contemporánea solo fue posible a partir de 1948, cuando
    investigando las propiedades de materiales semiconductores
    con la aplicación de la mecánica cuántica al
    estudio de los sólidos – fue descubierto el
    transistor. Otra aplicación de importancia es la del
    láser (radiación monocromática coherente)
    – previsto por Einstein.Y para nombrar sólo un campo
    de aplicación en las ciencias de la salud, tenemos que
    hablar de la resonancia magnética nuclear, que permite
    estudiar de forma no invasiva y sin emisión de
    radiación ionizante los diversos tejidos humanos.

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    Sin embargo, hasta inicios de la década de los setenta,
    las experiencias realizadas para testar los modelos construidos a
    partir de la Mecánica Cuántica estaban restrictos a
    sistemas con un número inmenso de constituyentes. Por
    ejemplo, la explicación de la superconductividad es
    espectacular, pero los experimentos con superconductores
    envuelven siempre un número muy grande de transportadores
    de carga (los pares de Cooper). Esto implica que las predicciones
    eran hechas en términos de medias estadísticas,
    perdiéndose así la posibilidad de observar las poco
    intuitivas reglas del mundo cuántico para las
    partículas individuales.

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    Sin embargo, a partir de los setenta, los avances experimentales
    permitieron que las experiencias comenzaran a ser realizadas con
    números mucho menores de partículas, haciendo
    “ visibles” los efectos cuánticos
    fundamentales. En este contexto se desarrolló la
    computación cuántica, talvez la propuesta
    más espectacular de aplicación práctica de
    la Mecánica Cuántica por los principios que
    envuelve.

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    El extraño mundo de los qubits Los circuitos
    electrónicos que representan los bits de
    información en los computadores actuales son objetos
    clásicos y siguen las leyes de la física
    clásica. Como consecuencia, cada bit de información
    en un computador clásico solo puede tener los valores 1
    ó 0, que son mutuamente excluyentes. En el mundo de los
    átomos, la Mecánica Cuántica nos
    enseña que los qubits ( quantum-bits) pueden adquirir
    simultáneamente los valores de 0 y 1 !!!!

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    Eso es posible por la propiedad llamada superposición
    linear de estados y representa una ganancia inimaginable de
    velocidad de procesamiento, porque todas las secuencias de bits
    posibles podrían ser manipuladas simultáneamente.
    Así, comparando los tiempos necesarios para la
    factorización de números grandes – un serio
    problema de la computación clásica y la base de la
    criptografía – tenemos Largo del número t. de
    factorización de alg. Clas. t. de factorización de
    alg. cuántico 512 4 días 34 seg. 1024 100 mil
    años 4,5 minutos 2048 100 billones de años 36
    minutos 4096 100 billones de cuatrillones de años 4,8
    horas

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    Resumiendo el desarrollo de esta área podríamos
    marcar como hitos importantes: 1970-1980: R. Feynmann, P.
    Benioff, D. Deustch y C. Bennet proponen, por separado, la
    posibilidad de las computadoras cuánticas. 1985: Deutsch
    crea el primer algoritmo cuántico. 1993: D. Shor crea el
    algoritmo de factorización . Es descubierto también
    el teletransporte cuántico. 1997-1998: N. Gershenfeld e I.
    Chuang descubren como implementar varias llaves lógicas
    cuánticas por resonancia magnética nuclear. 2001:
    Es demostrado el algoritmo de Shor por RMN. 2003: Se construye
    una computadora cuántica de 5 qubits –
    molécula con 5 spins manipulados por RMN.

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    ¿Que es al final un qubit? ¿Cuáles son las
    leyes que permiten la “ magia “ de la
    computación cuántica? Para intentar responder a
    estos interrogantes vamos a tener que hablar de algunas de las
    propiedades fundamentales de la Mecánica Cuántica,
    propiedades que describen un mundo bastante diferente de aquel en
    que estamos habituados a movernos. Superposición de
    estados, enmarañamiento y teletransporte. . . . Algo
    así como ciencia ficción en acción

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    Vamos a pensar en un sistema que puede adoptar dos estados, por
    ejemplo los dos autoestados de energía de un átomo.
    Vamos a denominarlos y En el mundo clásico sabemos que el
    sistema puede estar en uno o en otro de esos estados. Sin
    embargo, en el mundo cuántico el sistema – ANTES DE
    REALIZAR SOBRE ÉL CUALQUIER MEDICIÓN – puede
    estar en una combinación linear de ambos estados. O sea,
    mientras que clásicamente un bit existe o en 1 o en 0,
    cuánticamente puede existir en 1 y en 0.

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    Eso es lo que hemos dicho que se denomina SUPERPOSICIÓN
    LINEAR DE ESTADOS. Este principio habla de los posibles estados
    de un sistema, de forma que dado un cierto sistema físico,
    es posible encontrar un estado en que ese sistema exista en una
    configuración resultante de la superposición de dos
    (o más) estados posibles de una cierta propiedad. Los
    cuestionamientos en relación a la “ realidad
    física” de esta propiedad fueron formulados por el
    propio Schrödinger, en la forma de la famosa paradoja del
    gato. Con base en esto, muchos científicos han considerado
    que la superposición de estados es sólo un efecto
    matemático, que resulta de nuestro desconocimiento del
    estado del sistema.

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    Por eso, uno de los aspectos más fantásticos de la
    cuestión de la superposición es que, en la segunda
    mitad de los noventa fue posible crear “gatos de
    Schrödinger” en pequeña escala
    electrones individuales y átomos que pueden ser
    encontrados en dos lugares al mismo tiempo. 1996: íon de
    berilio, aprisionado con campos electromagnéticos,
    congelado cerca del cero absoluto. Con lásers de
    frecuencias ligeramente diferentes se controló la
    proyección del spin. Separación de 80 nanometros
    entre ellas. Esta es la base para la computación
    cuántica y su poder. Un qubit puede existir en varios
    estados al mismo tiempo e informar sobre ellos. Con eso es
    posible, en principio, realizar muchos cálculos en
    paralelo, usando solamente una unidad de procesamiento.

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    Así como en la computación clásica, el
    procesamiento de la información es realizado a
    través de puertas lógicas, en la computación
    cuántica también. Una de estas puertas no tiene
    contrapartida clásica, y es la que permite “
    transformar” el estado 0 en una superposición de los
    estados 0 y 1, por ejemplo.

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    Dijimos que nuestros qubits podían existir en más
    de un estado al mismo tiempo. El estado general del qubit puede
    ser representado de esta forma: Aunque puedan existir en
    más de un estado, el resultado de una determinada
    operación en computación cuántica es un
    único valor. En el momento en que deseemos saber cual es
    el resultado estamos obligando al qubit a responder en un estado
    definido de energía, pues conocer el resultado de una
    computación es realizar una medición sobre la
    unidad de procesamiento. La probabilidad de que, realizada esa
    medición, el qubit se encuentre en el estado 0 o en estado
    1 es dada por un coeficiente numérico.

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    Nos encontramos aquí delante de otra de las
    características fundamentales de la descripción del
    mundo microscópico por la Mecánica Cuántica.
    La Mecánica Cuántica es una teoría
    INHERENTEMENTE probabilística . Mientras que en la
    Mecánica Clásica el resultado de cada
    medición puede ser previsto con una precisión
    arbitraria, desde que el estado inicial sea conocido, la
    Mecánica Cuántica, en las mismas condiciones ofrece
    solo predicciones probabilísticas. a naturaleza de estas
    probabilidades, por otra parte, difieren de las de la
    física clásica pues no suceden debido a una falta
    de conocimiento sobre el sistema

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    Además, en contraposición a la física
    clásica, la relación entre el sistema a ser medido
    y el dispositivo de medida es simétrica y
    biunívoca: así como el sistema debe modificar el
    dispositivo de medida ( para mover una aguja, por ejemplo), el
    dispositivo modifica el estado del sistema que queda, en general,
    después de completada la medición, en un estado
    diferente. Las probabilidades en la Mecánica
    Cuántica están relacionadas tanto al principio de
    superposición linear de estados como al principio de
    incertidumbre del que hablaremos después. En
    relación a la superposición linear de estados, se
    puede mostrar que una teoría que lo tenga en su base, no
    puede ser una teoría deterministica.

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    Así, dados dos estados pi y pj, tales que para dos
    resultados diferentes xi e xj , pi(xi) = 1 (la probabilidad de,
    para el estado pi, obtener el valor xi, es igual a 1) y pj(xj) =
    1 (la probabilidad de, para el estado pj, obtener el valor xj, es
    igual a 1), se puede construir otro estado pk tal que para
    cualquier resultado xn de un dado experimento, pk(xn) = cipi(xn)
    + cj pj(xn), donde ci y cj están comprendidos entre 0 y 1
    y ci + cj = 1. De esta forma, 0 ? pk(xi) = ci ? 1. Se rompe des
    esta forma la identidad que la Física Clásica
    establece entre estado de un sistema y resultado de una
    medición, o sea, el resultado de una única
    medición no nos puede informar en general de forma
    completa acerca del estado del sistema antes de la medida,
    ocurriendo solamente relaciones en forma
    probabilística.

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    Volviendo a nuestro qubit, mientras no sea realizada una
    medición, el qubit podrá estar en una
    superposición de los estados 0 y 1, pero en el momento en
    que se busque saber el resultado del proceso de
    computación , o sea en el momento en que se efectúe
    una medición, el qubit responderá apenas en uno de
    sus estados posibles. Por lo tanto, aunque realicemos los
    cálculos rápidamente, deberemos realizar MUCHAS de
    ellas para poder tener una buena estadística en
    relación a cual sea el resultado de una determinada
    operación. ¡¡¡Y estos resultados
    obtenidos siempre serán resultados
    PROBABILISTICOS!!!

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    Los coeficientes C0 y C1 son los coeficientes que originan las
    probabilidades de, que, una vez efectuada la medición, el
    qubit estará en el estado 1 o 0. El problema de que antes
    de efectuar una medición el qubit pueda estar en una
    superposición de dos estados e después de la
    medición solamente en un estado es lo que se denomina en
    Mecánica Cuántica de problema de la medida.
    ¿Cuál es el problema? Clásicamente al medir
    una cierta propiedad de un sistema el valor obtenido es el del
    estado en el cual se encontraba el sistema antes de la
    medición. En Mecánica Cuántica, la
    frecuencia del resultado de la medición de una propiedad
    del sistema está probabilística mente relacionada
    con el estado en el que se encontraba el sistema antes de la
    medición.

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    Veamos un sistema con dos qubits. Si trabajamos en
    notación binaria, el estado podrá expresarse como
    Supongamos que nuestra forma de medir sea escuchar los clics de
    dos detectores, un detector superior para el estado 1 y un
    detector inferior para el estado 2. Para el estado general
    considerado, el resultado de la medición será, con
    igual probabilidad, oir dos clics en el detector superior o dos
    clics en el detector inferior. No escucharemos un clic en el
    detector superior y otro en el inferior.

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    La velocidad con que se podría llevar a cabo la
    factorización de números abre la posibilidad de que
    los computadores cuánticos rompan los criptosistemas de
    clave pública, que están basados en la dificultad
    matemática de la factorización de números
    grandes. Otra forma de llevar a cabo una comunicación
    segura es por medio de la codificación de claves privadas
    aleatorias de un sólo uso. El problema es como conseguir
    una distribución segura de estas claves. Afortunadamente,
    las extrañas leyes de la Mecánica Cuántica
    nos proporcionan herramientas para abordar la cuestión de
    la distribución segura de claves: un espía no puede
    extraer información sin revelar su presencia a los
    comunicantes, ya que en el mundo microscópico no es
    posible copiar estados y cualquier intento de determinar
    información sobre un estado cuántico lo modifica
    – como ya vimos. .

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    Vamos ahora a recordar un poco de la serie Viaje a las estrellas.
    Los viajeros acostumbraban moverse fuera de sus naves “
    teletransportandose”, o sea, desaparecían de un
    sitio y aparecían en otro. Según la Mecánica
    Cuántica, este teletransporte que “ copia” la
    información del estado de un sistema es imposible, porque
    viola otro de sus principios fundamentales, el llamado principio
    de incertidumbre. Según el principio de incertidumbre
    – que se relaciona con la famosa dualidad
    onda-partícula – no nos es posible conocer con
    absoluta precisión simultáneamente ciertas
    magnitudes físicas. Unas de esas magnitudes son la
    posición y el momento, que necesitaríamos para
    hacer un “ scanneado” del cuerpo para
    teletransportarlo.

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    Si queremos conocer el momento de un objeto cuántico
    perdemos toda información sobre su posición
    (observamos padrones ondulatorios) y viceversa, si queremos
    conocer su posición, perdemos toda información
    sobre su momento (observando padrones corpusculares) Podemos
    conocer ambas dentro de una determinada probabilidad. . . .
    .

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    Siguiendo un poco con el principio de incertidumbre, podemos
    considerarlo como una perturbación en el proceso de
    medición, que emerge de los tamaños con los cuales
    estamos trabajando en el mundo microscópico. Este
    principio nos permite establecer, por primera vez en la historia
    de la ciencia una escala “ absoluta” de
    tamaño: el mundo atómico y subatómico es
    pequeño en sentido absoluto, porque cualquier
    medición efectuada en esa escala usará recursos de
    la misma escala y podrá afectar el resultado, de forma que
    es necesario siempre indicar como están siendo observados
    los fenómenos. Es una limitación natural a nuestra
    capacidad de observación, una propiedad inherente a los
    sistemas microscópicos y no puede ser superada
    tecnológicamente.Si lo fuera, deberíamos abandonar
    la Mecánica Cuántica.

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    A pesar de esto, hoy se habla– y se experimenta– con
    lo que se denomina “ teletransporte cuántico”
    , que permite la distribución segura de claves privadas.
    El teletransporte cuántico es un fenómeno de
    transmisión de información que permite transferir
    el estado de un objeto cuántico a otro, desde que no se
    busque obtener información sobre tal estado en el
    transcurso de la transmisión y está relacionado con
    otra característica peculiar del mundo
    microscópico, la no-localidad (“aceptada” por
    los físicos en 1976). Según esta propiedad, en
    determinadas circunstancias, dos objetos cuánticos que ha
    interactuado, continúan “ enmarañados”
    (relacionados) de forma que las perturbaciones en uno de ellos
    afectan instantáneamente a otro, aunque los dos objetos
    estén distantes.

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    Retomando ahora la cuestión de la criptografia y de la
    distribución segura de claves, a partir de lo que hemos
    visto del teletransporte, para que ocurra la distribución
    segura de claves intervienen entonces un emisor, un receptor y
    dos canales de comunicación, uno cuántico ( para
    enviar fotones, usando filtros de polarización) y otro
    clásico para reconciliar y depurar la información.
    Ahora bien ¿qué pasa si hay alguien, llamado Eva,
    interceptando la comunicación, con la intención de
    capturar la clave?. Para no interferir en la comunicación,
    Eva debería poder usar dos filtros de polarización
    al mismo tiempo, cosa que es imposible por el principio de
    incertidumbre, y cada vez que se equivoque en la elección,
    Bob recibirá un qubit cambiado.

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    Si no hay nadie escuchando, la probabilidad de acertar con el
    filtro adecuado puede llegar hasta el 3/4, mientras que de fallar
    es de 1/4. Si Eva está escuchando, aumentará la
    tasa de errores, por los fallos que introduce al usar el filtro
    con el modo de polarización no adecuado. Para comprobar
    entonces si hay alguien escuchando, los emisores comprueban la
    tasa de errores en una parte de los bits recibidos. Si la tasa de
    error es superior a la estimada de 1/4 y se aproxima a 3/8, es
    que Eva está escuchando e introduce errores en el proceso,
    por lo que la clave no es válida.

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    Estos sistemas tienen la limitación de la distancia, de la
    velocidad de transmisión máxima, limitada a 100
    Mb/s y de la necesidad de una conexión mediante fibra
    óptica entre los extremos. La criptografía
    cuántica no se basa en la complejidad del sistema, sino en
    el hecho de que al intentar leer un sistema cuántico, se
    modifica su estado de forma irremediable, es decir, en la misma
    incertidumbre y aleatoriedad que caracteriza la Mecánica
    Cuántica. Marzo de 2005: La pasarela de seguridad MagiQ
    QPN comenzará a distribuirse en el Reino Unido, tras
    firmar un acuerdo con el distribuidor británico NOW
    Wireless. MagiQ QPN es una solución hardware para redes
    privadas virtuales que se anuncia como la primera
    implementación comercial de criptografía
    cuántica…

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    A pesar de todas sus posibilidades, la realización
    experimental de un computador cuántico aún es muy
    dificil. Para conseguirlo, es fundamental mantener la
    superposición de estados durante todo el proceso de
    cálculo. Y esto no es una tarea fácil. Por una
    propiedad denominada descoherencia la superposición de
    estados cuánticos se desvanece muy facilmente, porque
    cualquier interacción del sistema físico con el
    medio (el choque de un átomo con otro, por ejemplo) lleva
    al sistema a "optar" por uno sólo de los estados
    inicialmente superpuestos. El tiempo de la descoherencia es
    inversamente propoprcional al "grado de macroscopicidad" del
    sistema, haciendo con que la descoherencia ocurra en una escala
    de tiempo muchas ordenes de magnitud menos que la de los tiempos
    usualmente observables. Así, la interacción el
    ambiente parece ser responsable, por lo menos en parte, por el
    carácter probabilístico de la mecánica
    cuantica. Por eso en un mérito de la teoría haber
    llegado a la frontera en donde se torna evidente el efecto de esa
    interacción sobre el mundo físico.

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    No es posible conocer con absoluta precisión y al mismo
    tiempo ciertas propiedades físicas (Gp:) Medio,
    dispositivo de medición, etc (Gp:) Mundo
    microscópico descrito por la Mecánica
    Cuántica (Gp:) Es posible que un sistema se encuentre en
    dos o más estados de una propiedad al mismo tiempo ANTES
    DE LA MEDICIÓN (Gp:) SUPERPOSICIÓN LINEAR DE
    ESTADOS (Gp:) PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE (Gp:) Cuando se produce
    la superposición de los estados de dos sistemas (Gp:)
    enmarañamiento (Gp:) NO – LOCALIDAD (Gp:) Dos objetos
    cuánticos que han interactuado continúan
    “relacionados” de manera que las perturbaciones en
    uno de ellos afecta INSTANTÁNEAMENTE al otro, aunque los
    objetos estén distantes. (Gp:) Resultados de una
    única medición no nos puede informar en general de
    manera completa acerca del estado del sistema antes de la
    medición (Gp:) RESULTADOS PROBABILÍSTICOS (Gp:)
    Provoca la DESCOHERENCIA de los estados superpuestos (Gp:)
    Perturba el proceso de medición (Gp:) interfiere (Gp:)
    COMPUTAC I ÓN CUÁNT I CA (Gp:) POSIBILITA (Gp:)
    Seguridad en la codificación de claves privadas aleatorias
    de un solo uso (Gp:) Teletransporte cuántico (Gp:)
    CRIPTOGRAFIA CUÁNTICA

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    “ El hecho de un cuerpo poder actuar a distancia sobre el
    otro, a través del vacío, sin la mediación
    de nada es para mi un absurdo tan grande que ningún hombre
    con capacidad filosófica de pensamiento pueda
    pensar” I. Newton “ Quien no se queda perplejo con la
    Mecánica Cuántica es porque no la
    comprendió” N. Bohr “Quien afirme que
    entendió la Mecánica Cuántica está
    mintiendo” R. Feynman “Mecánica
    Cuántica: matemática más magia negra”
    A. Einstein

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