Investigadores de la Universidad de Ottawa (uOttawa), en colaboración con el Instituto Weizmann de Ciencias y la Universidad de Lancaster, han observado una transición cuántica oculta que sólo puede verse dependiendo de cómo los observadores realizan las mediciones.

El estudio "Transiciones topológicas de la fase generalizada Pancharatnam-Berry" fue publicado en Science Advances el 24 de noviembre de 2023.

Una parte esencial del método científico se basa en la capacidad de medir con precisión el resultado de un experimento y yuxtaponer estos hallazgos con resultados anteriores. Los científicos desarrollan dispositivos de medición, o medidores, que les permiten cuantificar con precisión la magnitud de las propiedades físicas. Sin embargo, el "proceso de medición" plantea una pregunta crítica e intrigante:¿el proceso de medición de un parámetro altera el sistema que se está midiendo?

En física, a menudo se cree que la influencia sobre el sistema es insignificante. Sin embargo, no se puede hacer la misma suposición en el contexto de la mecánica cuántica, ya que el acto de medición puede afectar significativamente al sistema bajo observación.

El equipo de investigación, dirigido por Yuval Gefen, profesor de la Facultad de Física del Instituto Weizmann de Ciencias y Ebrahim Karimi, profesor de física y catedrático de Investigación de Ondas Cuánticas Estructuradas de Canadá en la Facultad de Ciencias de la Universidad de Ottawa, ideó un sofisticado protocolo para observar esta transición topológica basada en mediciones.

Este protocolo implicó una secuencia cíclica de mediciones con intensidades variables, de fuerte a débil, sobre el estado de polarización de los fotones emitidos por una fuente láser. Sus hallazgos revelan que, si bien la transición topológica permanece intacta a pesar de la presencia de imperfecciones tanto en el sistema como en el proceso, también es sensible a estas imperfecciones.

"Esta sensibilidad se manifiesta en alteraciones significativas en la ubicación y forma de la transición, lo que subraya el delicado equilibrio entre la integridad del sistema y las influencias externas en exploraciones científicas tan avanzadas", dijo Manuel F. Ferrer-García, Ph.D. candidato, que realizó el experimento de laboratorio en el Nexus for Quantum Technologies Institute de uOttawa.

En mecánica cuántica, está ampliamente aceptado que la totalidad del estado de un sistema cuántico está encapsulado dentro de su función de onda. Para conocer el estado, el sistema interactúa con un dispositivo de medición, es decir, medidores, que son fundamentales para cuantificar la magnitud de una propiedad física. Convencionalmente, los científicos cuánticos emplean una técnica conocida como mediciones proyectivas en su laboratorio.

Estas mediciones se consideran "fuertes" ya que provocan el "colapso" de la función de onda, donde se reduce a un estado específico alineado con uno de los estados del dispositivo de medición. Este proceso no sólo produce información sino que también altera el estado cuántico inicial del sistema. Sin embargo, es factible idear un protocolo de medición que influya mínimamente en el sistema, dando lugar a lecturas algo indeterminadas en nuestro medidor.

A través de interacciones repetidas, es posible recopilar información sobre el sistema, un proceso denominado mediciones "débiles". A partir de esta comprensión, podemos deducir el potencial para diseñar protocolos de medición cuyo impacto oscile entre estos dos extremos:fuerte y débil. Este concepto abre nuevas vías para explorar los sistemas cuánticos y sus interacciones con dispositivos de medición, lo que marca un avance significativo en las técnicas de medición cuántica.

Un aspecto significativo, aunque menos evidente, de los fenómenos cuánticos es su profunda conexión con conceptos topológicos. La topología, en esencia, es una rama de las matemáticas que se centra en el estudio de propiedades que son invariantes o cambian de forma discontinua bajo deformaciones continuas. Un ejemplo de estas invariantes es el número de agujeros en superficies cerradas; por ejemplo, una esfera se puede transformar continuamente en forma de rosquilla, pero el número de agujeros cambiará abruptamente de cero a uno cuando dos puntos de superficie diferentes entren en contacto entre sí. .

Las invariantes topológicas juegan un papel importante en muchas áreas de la física moderna. En este trabajo, los investigadores observaron una transición topológica cuando la intensidad de la medición cambia de fuerte a débil. Esta transición implicó el comportamiento de otro concepto matemático:la fase geométrica o Pancharatnam-Berry.

Cuando un estado cuántico sufre una evolución cíclica, es decir, vuelve al estado inicial después de un período de tiempo, puede adquirir una fase "global", que se debe únicamente a la curvatura del espacio donde ocurre la evolución. Esta fase se puede observar interfiriendo el estado evolucionado con el inicial.

El impacto de esta investigación va más allá del alcance de la física fundamental. Dado que la transición demostró ser sensible a ciertas características del sistema cuántico, tiene el potencial de usarse en aplicaciones de detección o caracterización de elementos ópticos.

Más información: Manuel F. Ferrer-García et al, Transiciones topológicas de la fase generalizada Pancharatnam-Berry, Avances científicos (2023). DOI:10.1126/sciadv.adg6810

Información de la revista: Avances científicos

Proporcionado por la Universidad de Ottawa