Cómo escuchar el susurro cuántico

Original: "Computational framework for quantum state tomography of spin ensembles"
· Jiwoo Seo, Vesna F. Mitrović
arXiv:2609.11868v1 · 2026-09-10 · CC BY 4.0 · 2 min
El programa Tomography-NMR convierte las señales de los átomos en una descripción precisa del estado cuántico.

Cuando uno escucha el eco en las montañas, por el tiempo que tarda en volver el sonido puede calcular a qué distancia está el risco. Los físicos cuánticos hacen algo parecido con los átomos: envían un pulso de radio y, a partir del «eco» de respuesta, reconstruyen en qué estado se encontraban los átomos. Ese proceso se llama tomografía cuántica de estados.

Durante mucho tiempo, los programas para esa reconstrucción fueron cerrados. Los investigadores solo veían el resultado final, pero no el camino: cómo de una señal desordenada se llega a la matriz de densidad, es decir, a la descripción matemática exacta del estado cuántico. El nuevo paquete Tomography-NMR abre ese camino. Toma la señal en bruto, la convierte en un espectro mediante la transformada de Fourier y luego mide las alturas de los picos.

El espectro se parece a una gráfica con dos montañas para cada par de átomos enlazados. La suma y la diferencia de las alturas de esas montañas dan toda la información necesaria.

Después de las mediciones, el programa impone restricciones físicas: el estado tiene que ser real, no una fantasía matemática. La verificación con 20 estados distintos mostró una precisión superior al 99%. Es como un traductor que se equivoca en una palabra de cada diez mil.

Antes, para comprobar el resultado de otro, había que confiar ciegamente en un código cerrado. Ahora cualquiera puede descargar Tomography-NMR, procesar los mismos datos y comparar las respuestas. Eso hace que la ciencia sea más honesta y que la formación de los estudiantes sea más clara. El susurro cuántico por fin se puede oír sin intermediarios.

El paquete se llama Tomography-NMR y se distribuye bajo licencia MIT, lo que permite usarlo libremente en proyectos académicos y comerciales. La validación se llevó a cabo con la molécula de ADP, donde dos núcleos de fósforo-31 están acoplados mediante una interacción J de aproximadamente 22 Hz.

\hat{\rho} = \sum_{i,j \in \{o,x,y,z\}} c_{ij} \hat{B}_{ij}
La matriz de densidad se representa como una combinación lineal de 16 operadores de base con coeficientes c_ij.
\mathrm{Re}(L+R) = \mathrm{Tr}(\hat{\rho}\tilde{\hat{I}}^1_x), \quad \mathrm{Re}(L-R) = \mathrm{Tr}(\hat{\rho}2\tilde{\hat{I}}^1_x \tilde{\hat{I}}^2_z)
Las intensidades de los picos del espectro codifican directamente los valores esperados de los operadores, lo que permite extraer los coeficientes de la descomposición.
F_{\mathrm{proj}}(\hat{\rho}_m, \hat{\rho}_{th}) = \frac{\mathrm{Tr}(\hat{\rho}_m \hat{\rho}_{th})}{\sqrt{\mathrm{Tr}(\hat{\rho}_m^2) \mathrm{Tr}(\hat{\rho}_{th}^2)}}
Producto escalar normalizado entre la matriz de densidad medida y la teórica, usado para evaluar la calidad de la reconstrucción.