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    La negatividad cuántica puede impulsar mediciones ultraprecisas

    Se proyecta luz láser cuántica sobre una molécula química que deseamos medir. Entonces la luz pasa por nuestro filtro cuántico "mágico". Este filtro descarta mucha luz, mientras se condensa toda la información útil en una luz débil que finalmente llega al detector de la cámara. Crédito:Hugo Lepage

    Los científicos han descubierto que una propiedad física llamada 'negatividad cuántica' se puede utilizar para tomar medidas más precisas de todo, desde distancias moleculares hasta ondas gravitacionales.

    Los investigadores, de la Universidad de Cambridge, Harvard y MIT, han demostrado que las partículas cuánticas pueden transportar una cantidad ilimitada de información sobre las cosas con las que han interactuado. Los resultados, reportado en la revista Comunicaciones de la naturaleza , podría permitir mediciones mucho más precisas y potenciar nuevas tecnologías, como microscopios superprecisos y computadoras cuánticas.

    La metrología es la ciencia de las estimaciones y mediciones. Si te pesaste esta mañana, has hecho metrología. De la misma manera que se espera que la computación cuántica revolucione la forma en que se realizan los cálculos complicados, metrología cuántica, utilizando el extraño comportamiento de las partículas subatómicas, puede revolucionar la forma en que medimos las cosas.

    Estamos acostumbrados a tratar con probabilidades que van del 0% (nunca sucede) al 100% (siempre sucede). Sin embargo, para explicar los resultados del mundo cuántico, el concepto de probabilidad debe ampliarse para incluir una supuesta cuasi-probabilidad, que puede ser negativo. Esta cuasi-probabilidad permite que conceptos cuánticos como la 'acción espeluznante a distancia' de Einstein y la dualidad onda-partícula se expliquen en un lenguaje matemático intuitivo. Por ejemplo, la probabilidad de que un átomo esté en una posición determinada y viaje con una velocidad específica podría ser un número negativo, como -5%.

    Se dice que un experimento cuya explicación requiere probabilidades negativas posee "negatividad cuántica". Los científicos ahora han demostrado que esta negatividad cuántica puede ayudar a tomar medidas más precisas.

    Toda metrología necesita sondas, que pueden ser simples escalas o termómetros. Sin embargo, en metrología de vanguardia, las sondas son partículas cuánticas, que se puede controlar a nivel subatómico. Estas partículas cuánticas están hechas para interactuar con la cosa que se mide. Luego, las partículas son analizadas por un dispositivo de detección.

    En teoria, el mayor número de partículas de sondeo hay, más información estará disponible para el dispositivo de detección. Pero en la práctica hay un límite en la velocidad a la que los dispositivos de detección pueden analizar partículas. Lo mismo ocurre en la vida cotidiana:ponerse gafas de sol puede filtrar el exceso de luz y mejorar la visión. Pero hay un límite en cuanto al filtrado puede mejorar nuestra visión:tener anteojos de sol demasiado oscuros es perjudicial.

    "Hemos adaptado herramientas de la teoría de la información estándar a las cuasi-probabilidades y hemos demostrado que el filtrado de partículas cuánticas puede condensar la información de un millón de partículas en una, ", dijo el autor principal, el Dr. David Arvidsson-Shukur, del Laboratorio Cavendish de Cambridge y Sarah Woodhead Fellow en el Girton College." Eso significa que los dispositivos de detección pueden operar a su tasa de afluencia ideal mientras reciben información correspondiente a tasas mucho más altas. Esto está prohibido según la teoría de probabilidad normal, pero la negatividad cuántica lo hace posible ".

    Un grupo experimental de la Universidad de Toronto ya ha comenzado a desarrollar tecnología para utilizar estos nuevos resultados teóricos. Su objetivo es crear un dispositivo cuántico que utilice luz láser de fotón único para proporcionar mediciones increíblemente precisas de componentes ópticos. Tales medidas son cruciales para crear nuevas tecnologías avanzadas, como las computadoras cuánticas fotónicas.

    "Nuestro descubrimiento abre nuevas y emocionantes formas de utilizar los fenómenos cuánticos fundamentales en aplicaciones del mundo real, "dijo Arvidsson-Shukur.

    La metrología cuántica puede mejorar las mediciones de cosas, incluidas las distancias, anglos, temperaturas y campos magnéticos. Estas mediciones más precisas pueden conducir a tecnologías mejores y más rápidas, pero también mejores recursos para investigar la física fundamental y mejorar nuestra comprensión del universo. Por ejemplo, muchas tecnologías se basan en la alineación precisa de los componentes o en la capacidad de detectar pequeños cambios en los campos eléctricos o magnéticos. Una mayor precisión en la alineación de espejos puede permitir microscopios o telescopios más precisos, y mejores formas de medir el campo magnético de la tierra pueden conducir a mejores herramientas de navegación.

    La metrología cuántica se utiliza actualmente para mejorar la precisión de la detección de ondas gravitacionales en el Observatorio LIGO Hanford, ganador del Premio Nobel. Pero para la mayoría de aplicaciones, La metrología cuántica ha sido demasiado cara e inalcanzable con la tecnología actual. Los resultados recién publicados ofrecen una forma más económica de hacer metrología cuántica.

    "Los científicos suelen decir que 'no existe el almuerzo gratis', lo que significa que no puede ganar nada si no está dispuesto a pagar el precio computacional, "dijo el coautor Aleksander Lasek, un doctorado candidato en el Laboratorio Cavendish. "Sin embargo, en metrología cuántica, este precio puede hacerse arbitrariamente bajo. Eso es muy contradictorio, ¡y verdaderamente asombroso! "

    Dra. Nicole Yunger Halpern, coautor y becario postdoctoral de ITAMP en la Universidad de Harvard, dijo:"La multiplicación diaria conmuta:seis por siete es igual a siete por seis. La teoría cuántica implica una multiplicación que no conmuta. La falta de conmutación nos permite mejorar la metrología utilizando la física cuántica.

    "La física cuántica mejora la metrología, cálculo, criptografía, y más; pero demostrar rigurosamente que lo hace es difícil. Demostramos que la física cuántica nos permite extraer más información de los experimentos de la que podríamos obtener solo con la física clásica. La clave de la prueba es una versión cuántica de probabilidades:objetos matemáticos que se asemejan a probabilidades pero pueden asumir valores negativos y no reales ".


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