El resultado del experimento se puede resumir en un GIF animado que muestra lo que sucede con el estado cuántico del ion durante esa millonésima de segundo. El estado se puede visualizar mediante un tablero tridimensional. Las alturas de las barras indican el grado de superposición de los posibles estados cuánticos. La película muestra cómo durante la medición se pierden algunas de las superposiciones, y cómo esta pérdida es gradual, mientras que otras se conservan como deberían en una medición cuántica ideal. Crédito:F. Pokorny et al., "Seguimiento de la dinámica de una medición cuántica ideal, " Cartas de revisión física 2020
Medir un sistema cuántico hace que cambie, uno de los aspectos extraños pero fundamentales de la mecánica cuántica. Los investigadores de la Universidad de Estocolmo ahora han podido demostrar cómo ocurre este cambio. Los resultados se publican en la revista científica Cartas de revisión física .
La física cuántica describe el mundo interior de los átomos individuales, un mundo muy diferente a nuestra experiencia diaria. Uno de los muchos aspectos extraños pero fundamentales de la mecánica cuántica es el papel del observador:medir el estado de un sistema cuántico hace que cambie. A pesar de la importancia del proceso de medición dentro de la teoría, todavía tiene preguntas sin respuesta:¿Un estado cuántico colapsa instantáneamente durante una medición? Que no, ¿Cuánto tiempo lleva el proceso de medición y cuál es el estado cuántico del sistema en cualquier paso intermedio?
Una colaboración de investigadores de Suecia, Alemania y España han respondido a estas preguntas utilizando un solo átomo:un ión de estroncio atrapado en un campo eléctrico. La medición del ion dura solo una millonésima de segundo. Al producir una "película" que consta de imágenes tomadas en diferentes momentos de la medición, mostraron que el cambio de estado ocurre gradualmente bajo la influencia de la medición.
Los átomos siguen las leyes de la mecánica cuántica que a menudo contradicen nuestras expectativas normales. El estado cuántico interno de un átomo está formado por el estado de los electrones que giran alrededor del núcleo atómico. El electrón puede girar alrededor del núcleo en una órbita cercana o más lejana. Mecánica cuántica, sin embargo, también permite los llamados estados de superposición, donde el electrón ocupa ambas órbitas a la vez, pero cada órbita solo con cierta probabilidad.
"Cada vez que medimos la órbita del electrón, la respuesta de la medición será que el electrón estaba en una órbita más baja o más alta, nunca algo intermedio. Esto es cierto incluso cuando el estado cuántico inicial era una superposición de ambas posibilidades. La medición, en cierto sentido, obliga al electrón a decidir en cuál de los dos estados se encuentra, "dice Fabian Pokorny, investigador del Departamento de Física, Universidad de Estocolmo.
La "película" muestra la evolución durante el proceso de medición. Las imágenes individuales muestran datos de tomografía donde la altura de las barras revela el grado de superposición que aún se conserva. Durante la medición, algunas de las superposiciones se pierden, y esta pérdida ocurre gradualmente, mientras que otras se conservan como deberían para una medición cuántica ideal.
“Estos hallazgos arrojan nueva luz sobre el funcionamiento interno de la naturaleza y son consistentes con las predicciones de la física cuántica moderna, "dice Markus Hennrich, líder de grupo del equipo en Estocolmo.
Estos resultados también son importantes más allá de la teoría cuántica fundamental. La medición cuántica es una parte esencial de las computadoras cuánticas. El grupo de la Universidad de Estocolmo está trabajando en computadoras basadas en iones atrapados, donde las mediciones se utilizan para leer el resultado al final de un cálculo cuántico.
