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Mecánica Cuántica II

Jesús Madrigal Melchor

Tachas 09
Tachas 09
Mecánica Cuántica II

En el artículo anterior introducimos muy ligeramente en el concepto de computadoras cuánticas a través de lo reportado por Joel Taylor en el Scientfic American de septiembre de 2012, titulado Computación Cuántica Simplificada.  Para continuar con los fundamentos de la mecánica cuántica continuaremos con la analogía entre los jugos y las cantidades cuánticas físicas. Hasta ahora hemos hablado de cuatro números cuánticos, de los cuales el cuarto está asignado al espín, el cual determina el sabor del jugo, guardando la analogía. Bien, continuemos con la cita larga del trabajo de Taylor:

El momento angular es el corazón de la teoría cuántica. El momento angular es la cantidad que representa la rotación de un cuerpo. Este es la mezcla del momento de inercia y la velocidad angular. Para entender que es el momento angular, uno puede pensar en una pelota de beisbol rotando en sus dedos. ¿Suena familiar? Sí, esto es como la tierra, los átomos rotan sobre un eje. Este momento de inercia es definido por su masa y el volumen que la masa ocupa. Tomemos la pelota y llenémosla con alguno de los jugos. Ahora, vamos a apretar la pelota y cambiar el estado de inercia (la capacidad de la masa para mantener el reposo). Cuando esto sucede, tienen velocidad angular. La velocidad angular es que tan rápido cambia el ángulo con respecto al tiempo. A través de los años, como la teoría cuántica se ha desarrollada, el momento angular se convertiría en el papel central del entendimiento de la teoría cuántica y se le dio el nombre de la constante de Planck. La constante de Planck tiene mucha influencia en los tres conceptos claves de la computación cuántica. Estos tres conceptos son la superposición, el enredo y la coherencia. La superposición sucede cuando dos estados puros forman un estado mezclado. Este estado es un sistema cuántico. Los estados cuánticos incluyen el nivel de energía, momentum angular, espín, posición, polarización y momentum. Una manera de imaginar la superposición es tener un vaso de jugo de naranja y un vaso de jugo de arándanos. Mezclando los dos jugos usted obtiene la superposición, jugo de naranja-arándano. Lo mismo sucede cuando dos sistemas cuánticos se combinan.

Tenga en cuenta que los sabores del arándano y jugo de naranja no cambian sino que se "agregan" juntos, lo mismo sucede en superposición. Las propiedades de los estados no cambian, sino que ellos son agregados juntos. El enredo es una forma de superposición cuántica. Los estados de enredo aparecen como uno solo, hasta que son separados o medidos. Digamos que tenemos dos dulces de caramelo que se unen porque tienen propiedades similares. Un caramelo es de naranja y el otro es de arándano. Cundo usted estira los caramelos (da energía) para separarlos, ellos se separan y se mueven en direcciones opuestas. Las propiedades que estos caramelos tienen en común permanecen sin cambios; sin embargo, note que en la separación, que las propiedades sobre ambos pedazos de caramelo pueden estar en diferentes posiciones de los mismos.

La coherencia sucede cuando un grupo de partículas están actuando juntas en un estado cuántico sencillo. Básicamente, dos estados puros se combinan para hacer un estado mezclado.  Así que vamos a seguir los siguientes pasos:

  1. Tengamos dos estados puros: jugo de naranja y jugo de arándanos.
  2. Combinemos los jugos. Los jugos estarán “enredados” o “superpuestos” uno con otro.
  3. En esta superposición o enredo, ellos son coherentes uno con otro y serán un estado mezclado.

Los estados mezclados o estado de dos cuerpos da la definición de qbit o de un bit cuántico, la unidad fundamental de la computación cuántica, sobre lo cual está basada una computadora cuántica. En las computadoras, nosotros teneos la unidad de bit (dígito binario). El bit puede tener valor de 1 o 0. Es una variable que solo puede tener dos únicos valores posibles. Sin embargo, el qbit; debido a la idea de superposición ya discutida, puede tener dos valores de bit en uno solo. De nuevo, considere nuestro qbit como una combinación de jugo de arándano y naranja. Ambos tienen ciertas propiedades en común; sin embargo, uno es de naranja y el otro de arándano. Cuando ellos son unidos ellos crean una superposición y forman un “qbit” de información. Esta cualidad de la computación cuántica permite procesamientos más rápidos y resultados más refinados en un “qbit” de información. Estos resultados refinados son como los pixeles de una cámara digital; más pixeles, más limpia la imagen. De igual forma, mas “qbits” mejor los resultados del cálculo.

Una cualidad única de computación cuántica es que se puede utilizar para estudiar los misterios de la mecánica cuántica. En un futuro próximo, la computación cuántica tendrá usos como el de teleportación cuántica de información, estudios biológicos, y de seguridad cibernética.

Espero que con esto se comprenda un poco en que se basa la computación cuántica y cuál es la diferencia principal con la computación de hoy en día. Existe ya una compañía que se dedica a fabricar computadoras cuánticas llamada D-Wave, que en su página web informa de su nuevo sistema de cálculo cuántico con un chip de 512 qbits.

jmadrigal.melchor@fisica.uaz.edu.mx

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