Cómo medir la «corpuscularidad» de un objeto cuántico ✛ ✎

Original: "Quantifying the particle aspect of quantum systems"
arXiv:1812.08656 · 2018-12-20 · arXiv non-exclusive · análisis propio · 2 min
Los físicos han ideado un número que indica cuánto se parece un objeto cuántico a una partícula y no a una onda.

La luz incide sobre un metal y arranca electrones de él. Esto es el efecto fotoeléctrico, y solo ocurre si la luz tiene suficiente energía para superar el umbral que mantiene a los electrones en el interior. Los físicos saben desde hace tiempo medir las propiedades ondulatorias de los objetos cuánticos mediante la coherencia cuántica, es decir, la capacidad de un estado de ser una superposición. Pero hasta ahora no se había medido cuánto se parece un objeto a una partícula.

Los autores del nuevo trabajo proponen considerar como corpuscularidad precisamente la capacidad de superar ese umbral. Construyen un modelo simplificado: un sistema cuántico tiene varios niveles de energía, y el material del que se arranca el electrón tiene dos niveles con una brecha energética entre ellos. Un estado posee corpuscularidad si su energía media está por encima de esa brecha. La medida de corpuscularidad es la distancia a los estados sin corpuscularidad, aquellos cuya energía no es suficiente para arrancar un electrón.

En este modelo, el sistema más simple de dos niveles, el qubit, nunca posee corpuscularidad. Se necesita al menos un sistema de tres niveles, el qutrit, para que la energía pueda superar el umbral.

El experimento numérico mostró que si se miden la corpuscularidad y la coherencia del mismo estado, su suma con un coeficiente de 1,3 nunca supera 1,8. Cuanta más corpuscularidad, menos coherencia, y viceversa. Esta es una nueva formulación del viejo principio: un objeto no puede ser simultáneamente completamente onda y completamente partícula. Esta medida podría ser útil en el desarrollo de fotodetectores y células solares, donde es importante la eficiencia con la que la luz arranca electrones.

En el modelo de los autores, un qubit nunca posee corpuscularidad, mientras que un qutrit (sistema de tres niveles) sí puede tenerla. Esto recuerda la situación del entrelazamiento, que también requiere al menos dos partes.

Científicos
Albert EinsteinJohn Archibald WheelerNiels BohrPhilippe GrangierArthur ComptonDavid Deutsch
Conceptos
estado cuántico principio de complementariedad dualidad onda-partícula estado número de partículas función de onda incertidumbre principio de incertidumbre cuasipartícula regla de Born física de partículas coherencia materia tomografía continuo campo feynman fotón paridad estado coherente