superposición cuántica

History

El principio de superposición de estados fue introducido formalmente en 1926 por el físico austriaco Erwin Schrödinger como consecuencia de su famosa ecuación de onda. Antes, el fenómeno de superposición ya era bien conocido en ondas clásicas, pero Schrödinger fue el primero en sugerir que las partículas también podían comportarse de manera similar. Más tarde, propuso el experimento mental del gato que está vivo y muerto a la vez para mostrar lo extraña que resulta esta idea aplicada a un objeto grande.

How it works

Cuando dos piedras lanzadas al agua generan ondas circulares, estas se superponen, creando zonas de ondulación reforzada y debilitada. De manera análoga, un estado cuántico puede ser una mezcla de varias 'imágenes' ondulatorias a la vez. En aislamiento, la partícula permanece en esa forma difusa. Pero al medir, por ejemplo, su energía o posición, la mezcla se convierte instantáneamente en un valor único definido: esto se denomina colapso de la superposición.

History

El principio de superposición de estados fue introducido formalmente en 1926 por el físico austriaco Erwin Schrödinger como consecuencia de su famosa ecuación de onda. Antes, el fenómeno de superposición ya era bien conocido en ondas clásicas, pero Schrödinger fue el primero en sugerir que las partículas también podían comportarse de manera similar. Más tarde, propuso el experimento mental del gato que está vivo y muerto a la vez para mostrar lo extraña que resulta esta idea aplicada a un objeto grande.

How it works

Cuando dos piedras lanzadas al agua generan ondas circulares, estas se superponen, creando zonas de ondulación reforzada y debilitada. De manera análoga, un estado cuántico puede ser una mezcla de varias 'imágenes' ondulatorias a la vez. En aislamiento, la partícula permanece en esa forma difusa. Pero al medir, por ejemplo, su energía o posición, la mezcla se convierte instantáneamente en un valor único definido: esto se denomina colapso de la superposición.

History

La idea de superposición surgió de los intentos de conciliar el comportamiento ondulatorio de la materia, predicho por Louis de Broglie en 1924, con la imagen corpuscular. En 1926, Erwin Schrödinger formuló una ecuación de onda para la cual, como para cualquier ecuación diferencial lineal, la suma de soluciones también es una solución, dando lugar al principio formal de superposición de estados. En 1935, él mismo ideó la paradoja del 'gato de Schrödinger' para ilustrar el problema del paso del micromundo al macromundo. En 1964, John Stewart Bell demostró que la superposición da lugar a correlaciones estadísticas no explicables clásicamente (teorema de Bell); más tarde, los experimentos iniciados por Alain Aspect confirmaron brillantemente esta predicción. Desde finales del siglo XX, la superposición se usa activamente en informática cuántica; el pionero de este campo fue David Deutsch, quien describió el ordenador cuántico universal en 1985.

How it works

El estado del sistema se codifica mediante un vector |ψ⟩ en el espacio de Hilbert. Según el principio de superposición, cualquier combinación lineal de la forma Σ c_i |φ_i⟩, donde {|φ_i⟩} es una base y c_i son amplitudes complejas, describe un estado físicamente realizable. La evolución temporal obedece a la ecuación de Schrödinger, que preserva la superposición: si el estado inicial era una superposición, el estado posterior seguirá siendo una superposición mientras el sistema esté aislado. La medición, en cambio, proyecta irreversiblemente el vector sobre uno de los estados propios de la magnitud medida; las probabilidades vienen dadas por los cuadrados de los módulos de las amplitudes. En condiciones reales, el inevitable acoplamiento con un termostato entrelaza el sistema con un número enorme de grados de libertad del entorno, destruyendo rápidamente la coherencia (decoherencia); por eso las superposiciones macroscópicas son extremadamente difíciles de crear y mantener.

Open problems & fun facts

El problema de la medición: ¿por qué colapsa la función de onda y ocurre esto objetivamente?; Decoherencia: ¿cómo aislar sistemas cuánticos para mantener su coherencia?; Transición cuántico-clásico: ¿dónde está el límite más allá del cual las superposiciones dejan de existir?; Creación y control de superposiciones multiqubit para computación cuántica tolerante a fallos.

💡 Gracias a la superposición, una partícula puede atravesar una barrera de energía que clásicamente no podría superar: este es el efecto túnel. Explica cómo funcionan los microscopios de efecto túnel, capaces de 'ver' átomos individuales.