La reconstrucción de la función de onda de un sistema cuántico mediante medidas débiles

La función de onda es una entidad matemática abstracta que contiene toda la información de un sistema cuántico. Como no es un objeto físico no se puede medir (no es observable) en un sistema físico concreto. Sin embargo, puede ser determinada de forma indirecta utilizando medidas concretas de un conjunto grande de sistemas físicos preparados de forma idéntica, un proceso llamado tomografía cuántica. Se publica en Nature un nuevo método para realizar esta medida basado en combinar medidas débiles de la posición y medidas fuertes del momento. Toda medida cuántica requiere acoplar el sistema a medir y el medidor, de forma que el sistema medido se ve afectado por la medida; cuanto más definido sea el estado del medidor tras la medida, más se afectará al sistema medido. Una manera de afectar poco al sistema medido es permitir una enorme incertidumbre en el estado final del medidor, a esto se le llama medida débil; por contra, en una medida fuerte se destruye el estado original del sistema medido. Para medir una propiedad cuántica con precisión mediante medidas débiles hay que realizar infinidad de medidas. El método de Lundeen et al. combina una medida débil de la posición de una partícula seguida de una medida fuerte de su impulso y un proceso de post-selección que selecciona ciertos valores medidos de la posición y desprecia otros. Gracias a esta combinación es posible reconstruir la función de onda transversal para la posición de una partícula. ¿Qué ventajas tiene el nuevo procedimiento respecto a la tomografía cuántica? Permite determinar tanto el módulo de la función de onda como su fase (o sus partes real e imaginaria como función compleja). Por el contrario, la tomografía cuántica sólo permite determinar el módulo de la función de onda. ¿Alguna desventaja respecto a la tomografía cuántica? El nuevo procedimiento no permite medir las funciones de onda de sistemas entrelazados (aún). Además, su precisión para el módulo de la función de onda es inferior a la de los métodos de tomografía cuántica (por ahora). Aún así este avance ha sido considerado tan relevante como para merecer su publicación en Nature. Nos lo ha contado Onur Hosten, «Quantum physics: How to catch a wave,» Nature 474: 170–171, 09 June 2011, haciéndose eco del artículo técnico de Jeff S. Lundeen, Brandon Sutherland, Aabid Patel, Corey Stewart, Charles Bamber, «Direct measurement of the quantum wavefunction,» Nature 474: 188–191, 09 June 2011. Este artículo trata de complementar al de Kanijo, «Una función de onda medida directamente,» Ciencia Kanija, 08 June 2011, que traduce a Devin Powell, «Wave function directly measured,» ScienceNews, June 8th, 2011. Más información en español sobre la tomografía cuántica en la tesis del argentino Fernando Pastawski, «Tomografía de Procesos Cuánticos,» Univ. Buenos Aires, 2008. En este blog también puedes consultar «El “gato vudú” cuántico ha sido fabricado fotón a fotón,» 27 mayo 2009.

Estas figuras, obtenidas del artículo en Nature, muestran la función de onda para la posición (x) de un fotón; para la amplitud Ψ(x) los cuadrados azules rellenos corresponden a la parte real Re(Ψ(x)) y los cuadrados rojos huecos a la parte imaginaria Im(Ψ(x)); para la densidad de probabilidad |Ψ(x)|² los cuadrados negros huecos corresponden a la fase y los círculos azules rellenos son la amplitud al cuadrado (los círculos rojos huecos corresponden a la misma medida por técnicas de tomografía cuántica). Por cierto, compárala con la figura espectacular que aparece en Kanijo, «Una función de onda medida directamente,» Ciencia Kanija, 09 junio 2011 (traducción de un artículo publicado por Devin Powell el 8 de junio de 2011 en Science News). Te la copia abajo, para facilitar la comparación. Como puedes ver, dicha figura es demasiado espectacular para ser cierta (por ahora, pero quien sabe en unos lustros). La realidad no siempre es tan bonita como el arte.



1 Comentario

  1. Muy bien. Se aprende mucho leyendo sus escritos. Debía escribior libros de divulgación. Lo felicito y admiro aunque soy antirelativista y contrario a la física sin sentido. No quiero decir que usted defienda una física carente de sentido, pero que si acepta conceptos como «partículas virtuales», «funciones de onda que contienen toda la información sobre un estado físico»,etc. Me figuro que por «toda la información» se refiere a la que se puede obtener usando los operadores conocidos. Tambien me figuro que no crea que existen operadores cuánticos de sexo, edad, origen, vicisitudes probabilisticas sufridas por el sistema, interacciones pasadas y futuras con otros sistemas y cosas asi. Por favor no entienda como ironia lo último: es para definir mi posición re
    alista. Felicitaciones de nuevo y felicidades en estas navideades.

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 14 junio, 2011
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