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Los investigadores del Centro de Información Cuántica y Biología Cuántica de la Universidad de Osaka utilizaron iones atrapados para demostrar la propagación de cuantos vibracionales como parte de una caminata aleatoria cuántica. Este trabajo se basa en su exquisito control de los iones individuales utilizando láseres, y puede conducir a nuevas simulaciones cuánticas de sistemas biológicos.
Aquí tienes un juego simple que puedes jugar con un grupo de amigos. Todos se alinean hombro con hombro y luego cada persona lanza una moneda para decidir si da un paso hacia adelante o hacia atrás. Después de algunas rondas de volteretas, encontrará que su línea ordenada se habrá extendido al azar. Si bien este juego suena muy simplista, Los científicos han descubierto que estos "paseos aleatorios" son increíblemente útiles para explicar diversos fenómenos, desde la difusión molecular hasta problemas de estadística y probabilidad.
Entre las características muy extrañas de la mecánica cuántica, las leyes de la física que gobiernan el comportamiento de objetos pequeños como átomos individuales, se encuentra la sorprendente mezcla de aleatoriedad y previsibilidad. En particular, mientras que la probabilidad de encontrar una partícula en un lugar determinado se extiende de manera predecible a lo largo del tiempo, como ondas en un estanque, cuando se realiza una medición, existe una incertidumbre inherente. Esto hace que los paseos aleatorios cuánticos sean fundamentalmente diferentes de sus contrapartes convencionales. A diferencia de las moléculas de gas que se esparcen por una habitación, las ondas de un paseo aleatorio cuántico pueden interferir consigo mismo, creando un patrón de oscilación distinto.
Primero, se prepara un fonón en la ubicación del ion 2 con una luz iluminadora. La vibración se propaga entre los cuatro iones debido a la interacción de Coulomb entre ellos. Después de cierto tiempo (que varió entre 0 y 0,01 segundos), la probabilidad de encontrar el fonón en cada ion se midió con otro haz de luz. La probabilidad muestra un patrón complejo, que coincide precisamente con las expectativas teóricas. Crédito:Universidad de Osaka
Los científicos de la Universidad de Osaka comenzaron creando un cristal artificial atrapando una fila de cuatro iones de calcio con láseres. Los iones aún podrían influirse entre sí con su carga eléctrica. Luego, el equipo demostró que podían hacer que un ion vibrara al iluminarlo con un láser separado.
Esta mínima vibración posible, llamado phonon, actuó como un paquete de energía que podría pasar a un ion vecino. Como explica el primer autor Masaya Tamura, "Al emplear la capacidad de preparar y observar un fonón localizado, su propagación en un cristal lineal de cuatro iones se puede observar con resolución de un solo sitio ". Al esperar varios períodos de tiempo de hasta 10 milisegundos, las ubicaciones de los fonones medidas coincidieron con las predicciones teóricas.
"Nuestro sistema que utiliza fonones ofrece una plataforma para realizar simulaciones cuánticas para estudiar cuestiones abiertas en química y biología, "dice el autor principal Kenji Toyoda". Por ejemplo, Se ha planteado la hipótesis de que la increíble eficiencia del 95% de la fotosíntesis depende, al menos en parte, en el hecho de que los paseos aleatorios cuánticos actúan de manera diferente en comparación con la aleatoriedad clásica. El sistema que se muestra aquí puede resolver estos y otros problemas importantes ".
