?T iene sentido aplicar las leyes de la Fisica Cuantica a un solo objeto? Muchos de los pioneros de su desa rrollo opinaban que esta teoria era puramente esta distica y que no tenia sentido aplicarla a un atomo, molecula u otra particula microscopica. Schrodinger llego a escribir que pensar en experimentos con una sola particula lleva a consecuencias ridiculas. No es de extranar: la nueva teoria, si uno se la tomaba al pie de la letra, daba lugar a predicciones que chocaban frontalmente con la vision de la naturaleza que se tenia por aquel entonces. Ademas, todos los experimentos que dieron lugar al nacimiento de la Fisica Cuantica se hacian con un numero ingente de atomos o moleculas. Era, pues, impensable que jamas se pudiese aislar y controlar un solo atomo, y con ello verificar las predicciones mas bizarras de esta teoria. Sin embargo, con el tiempo se han desarrollado las tecnologias y tecnicas necesarias para aislar un solo atomo y comprobar muchas de estas predicciones. Serge Haroche (College de France, Francia) y David Wineland (National Institute of Standards and Technology, Estados Unidos) han jugado un papel crucial en este desarrollo y han llevado a cabo esos experimentos impensables para los pioneros de la Fisica Cuantica. Y por ello han sido galardonados con el Premio Nobel 2012 por la Real Academia de Ciencias Sueca.
?T iene sentido aplicar las leyes de la Fisica Cuantica a un solo objeto? Muchos de los pioneros de su desa rrollo opinaban que esta teoria era puramente esta distica y que no tenia sentido aplicarla a un atomo, molecula u otra particula microscopica. Schrodinger llego a escribir que pensar en experimentos con una sola particula lleva a consecuencias ridiculas. No es de extranar: la nueva teoria, si uno se la tomaba al pie de la letra, daba lugar a predicciones que chocaban frontalmente con la vision de la naturaleza que se tenia por aquel entonces. Ademas, todos los experimentos que dieron lugar al nacimiento de la Fisica Cuantica se hacian con un numero ingente de atomos o moleculas. Era, pues, impensable que jamas se pudiese aislar y controlar un solo atomo, y con ello verificar las predicciones mas bizarras de esta teoria. Sin embargo, con el tiempo se han desarrollado las tecnologias y tecnicas necesarias para aislar un solo atomo y comprobar muchas de estas predicciones. Serge Haroche (College de France, Francia) y David Wineland (National Institute of Standards and Technology, Estados Unidos) han jugado un papel crucial en este desarrollo y han llevado a cabo esos experimentos impensables para los pioneros de la Fisica Cuantica. Y por ello han sido galardonados con el Premio Nobel 2012 por la Real Academia de Ciencias Sueca.
En las teorias fisicas clasicas aceptamos sin reparo que la observacion necesaria para hacer mediciones y dar cuenta de las cualidades, no altera las propiedades de un sistema fisico. O en otras palabras, el acto de medir no perturba el sistema; o si lo perturba se puede hacer despreciable o sino, se puede hacer la perturbacion que acompana a la observacion pequena, podemos calcular el efecto de esa perturbacion y compensarlo para lograr una precision arbitraria. Sin embargo, desde la teoria cuantica el supuesto de la atomicidad nos impide hacer despreciable el acto de observar, el acto de medir. La interaccion necesaria para medir, no se puede hacer arbitrariamente pequena porque los objetos fisicos que interactuan tienen en general propiedades fisicas las cuales vienen en paquetes de onda, en quantums. Cuando se exige una medida precisa, se requiere una interaccion fuerte y entonces el aspecto estadistico de la naturaleza se revela en todo su esplendor. Es decir, la perturbacion produce una interaccion fuerte y el comportamiento individual se hace incontrolable. Asi solo nos queda prever el comportamiento estadistico. Esta problematica dada en la fisica se transpone al aula de clase y se convierte en un problema de comprension para los estudiantes de un curso introductorio de mecanica cuantica. En este trabajo se presenta un material para la ensenanza de este tema constituido por analogias y visualizaciones con el fin de ayudar a los estudiantes en su comprension. Este material ha sido usado con estudiantes del curso Mecanica Cuantica II de la licenciatura en fisica de la Universidad Pedagogica Nacional.
En este trabajo, se analiza una teoría que es en cierto modo una extensión natural del campo de las telecomunicaciones clásicas a la mecánica cuántica. Dicha teoría se llama tomografía cuántica y es de hecho una imagen de la mecánica cuántica equivalente a las más habituales que son la imagen de Schrödinger o la de Heisenberg. Esta nueva imagen, difiere de las precedentes en que está muy ligada a la capacidad tecnológica a la hora de medir observables (momento, energía, etc.) en el campo de la óptica cuántica, ya que su objetivo primordial es el de conseguir reconstruir el estado de un sistema cuántico a partir de mediciones en el laboratorio, y dado al avance tecnológico del instrumental de laboratorio disponible como láseres y fotodetectores, cada vez está suscitando mayor interés. En el primer capítulo, veremos cómo nace esta idea de reconstruir estados cuánticos discutiendo brevemente la técnica clásica conocida como Tomografía Axial Computerizada (TAC). Esta técnica está basada en los trabajos de Johann Karl August Radon aplicando la transformada que lleva su nombre. Introduciremos la transformada de Radon de una función de probabilidad definida en el espacio de fases para ver cómo se aplica en el caso del TAC. Para aplicar esta idea para la reconstrucción de estados cuánticos, veremos, en primer lugar, que existe una extensión natural de las técnicas de demodulación de señales moduladas en amplitud (AM) en el campo de la óptica cuántica mostrando que el papel que cumple un mezclador puede ser reemplazado por una combinación de divisores de haz y fotodetectores y mostraremos explícitamente cómo reconstruir el operador densidad que describe un estado cuántico a través de un proceso reminiscente de la transformada de Radon clásica. El segundo capítulo será el corazón de este trabajo. En él, introduciremos de manera formal la descripción tomográfica de la mecánica cuántica. Presentaremos una teoría general, para ello, trataremos a los observables como elementos de un álgebra C_ y los estados serán funcionales lineales positivos que actúen en dicha algebra. Veremos que esta descripción de la mecánica cuántica puede dividirse en dos partes, una primera con el objetivo de obtener una fórmula para reconstruir el estado de un sistema cuántico a partir de una función definida sobre un conjunto llamado conjunto tomográfico, que será un conjunto de observables que tendrá que cumplir una serie de condiciones que expondremos debidamente. A esta primera parte de la teoría, la bautizaremos como Teoría de muestreo generalizada en sistemas cuánticos. La segunda parte estará relacionada con la parte puramente experimental. Lo que hace necesario tener que añadir esta segunda parte es el hecho de que la función definida anteriormente sobre el conjunto tomográfico, que llamaremos función de muestreo, en general, no puede ser medida por medio de los dispositivos con los que contamos en un laboratorio de óptica cuántica, sin embargo, a partir de las mediciones hechas con un fotodetector, podemos obtener distribuciones de probabilidad de cantidades relacionadas con los observables. Entonces, tomando esto último como motivación, esta segunda parte de la teoría consistirá en relacionar esa función de muestreo con una distribución de probabilidad que llamaremos tomograma, que será el resultado directo de un proceso de medida en el laboratorio, y la llamaremos Transformada generalizada positiva por motivos que se expondrán convenientemente. Uno de los problemas más sutiles de esta teoría consiste en hallar un conjunto tomográfico que cumpla las condiciones necesarias para permitir reconstruir el estado a partir de él. Sin embargo, veremos que de manera natural, las representaciones unitarias irreducibles de un grupo finito o de Lie compacto proporcionan conjuntos tomográficos que cumplen las condiciones requeridas, por eso, nos centraremos en el estudio de la reconstrucción de estados a partir de grupos relacionados con el sistema físico dado. Aunque también destacaremos que existen otras representaciones unitarias que nos permiten reconstruir el estado cuántico a partir de ellas, como lo es la representación unitaria irreducible del grupo de Heisenberg Weyl dada por el álgebra de Lie que forman los operadores momento y posición cuánticos que es el ejemplo con el que nace la tomografía cuántica introducido en el primer capítulo. En el tercer capítulo presentaremos un algoritmo numérico que se deriva a partir de unos estados que llamaremos estados adaptados que habremos definido en el capítulo anterior. Este algoritmo nace como un problema inverso, ya que hasta entonces nos habremos centrado en reconstruir estados a partir de un conjunto tomográfico, en especial, cuando el conjunto tomográfico está definido a partir de una representación unitaria de un grupo. Este problema inverso consiste en determinar qué información es posible obtener de una representación unitaria de un grupo si se tiene una familia de estados que describe un sistema físico relacionado con un grupo de simetría. La respuesta a esta pregunta es muy satisfactoria ya que es posible conocer la matriz de transformación de base que nos permita transformar la base, en la que está descrita la representación unitaria, en una base adaptada a los subespacios invariantes bajo la acción de todos los elementos de la representación. Este problema se conoce como descomposición de Clebsh Gordan, ya que dicha transformación aplicada a la representación unitaria la convierte en una matriz diagonal por bloques en la que cada bloque corresponde a una representación unitaria irreducible. La manera en la que resolveremos este problema es con un algoritmo numérico que sólo requiere dos estados adaptados como argumentos de entrada, que pueden ser obtenidos de manera directa si se conoce de forma explícita la representación unitaria que queremos reducir. Este algoritmo lo hemos bautizado con el nombre de SMILY. Hay que destacar que como este algoritmo se ha generado sólo aplicando ciertas transformaciones unitarias sobre matrices que representan un estado cuántico, tiene una extensión natural que podría implementarse en un ordenador cuántico. Para acabar esta tesis, generalizaremos la descripción tomográfica a campos clásicos y cuánticos. Para el caso clásico, primero realizaremos una descripción tomográfico para sistemas con finitos grados de libertad y obtendremos el equivalente tomográfico de la ecuación de Liouville para una densidad de probabilidad y tras esto, haremos el mismo análisis para sistemas con infinitos grados de libertad. Para obtener la descripción tomográfica para campos cuánticos, partiremos del concepto de segunda cuantización y mostraremos el equivalente tomográfico de los axiomas de Wightman Streater para una teoría cuántica de campos. Y para terminar, obtendremos un teorema de reconstrucción para campos escalares y calcularemos el tomograma de ciertos estados de un campo cuántico escalar libre. Comentemos esto último diciendo que es el inicio de una teoría que permitirá una descripción tomográfica de estados, por ejemplo ligados, para teorías con interacción. Para concluir este resumen, quisiera resaltar que el lector especializado, si lo considera conveniente, puede comenzar a leer a partir del segundo capítulo, ya que aunque el primer capítulo sirve como motivación de porqué desarrollar una descripción tomográfica de la mecánica cuántica, el texto puede comprenderse si previamente no se ha leído.
En los últimos años, la física cuántica se volvió un tema recurrente en medios y redes, muchas veces presentado de manera fragmentaria, exagerada o directamente tergiversada.La computación cuántica, en particular, atraviesa el mismo fenómeno: se la describe como una tecnología capaz de resolverlo todo, o como una amenaza inmediata para la seguridad digital, cuando en realidad su desarrollo es aún incipiente y lleno de desafíos.Las encuestas de percepción pública de la ciencia muestran que la ciudadanía confía en la investigación científica, pero reconoce comprender poco sobre áreas complejas como la física y la computación cuántica.El propio título de este artículo, "La revolución cuántica en marcha", reafirma esta perspectiva: se trata de una revolución, sí, pero aún en movimiento, en construcción, lejos de haber alcanzado su meta definitiva.Este texto busca despejar mitos, ordenar la información real y ofrecer un panorama somero pero riguroso sobre qué sabemos, qué podemos esperar y cuál es la verdadera magnitud de esta transformación tecnológica.En este contexto de expectativas y confusión, el Premio Nobel de Física 2025 reconoció avances decisivos en el campo de la computación cuántica.Así se marca un hito que permite diferenciar lo que ya es realidad de lo que aún está en construcción.Para comprender la magnitud de este logro, conviene recordar que la física cuántica describe un mundo submicroscópico donde las reglas del sentido común se desvanecen.El reto es trasladar esos fenómenos invisibles -electrones, fotones-a máquinas visibles y controlables.Igual que un avión no imita el aleteo de un pájaro, una computadora cuántica se construye en un entorno ultracontrolado que permite que lo cuántico se despliegue como tecnología.Para lograrlo se requiere un aislamiento extremo, con dos condiciones fundamentales: temperaturas cercanas al cero absoluto y ausencia de vibraciones.El frío extremo no es un capricho: allí los materiales se vuelven superconductores, es decir, la electricidad circula sin resistencia ni pérdidas, condición indispensable para que los qubits -bits cuánticos que pueden ocupar múltiples estados, más allá del 0 y el 1 clásicos-mantengan su delicado estado de superposición, un principio que se desarrollará más adelante.El silencio frente a vibraciones cumple otra función: evita que Computación cuántica
Desde hace ochenta anos, las predicciones de la fisica cuantica se han visto confirmadas en un sinnumero de experimentos. La mayoria de los investigadores opinan que no hay nada que el formalismo cuantico no pueda explicar.
La teoria cuantica es tambien extraordinariamente robusta: hasta ahora, todos los intentos por modificarla han dado lugar a teorias que violan algun principio basico, como la imposibilidad de transmitir informacion de manera instantanea.
Un nuevo programa de investigacion, conocido como reconstruccion de la teoria cuantica, intenta determinar hasta que punto las leyes cuanticas son las unicas compatibles con una serie de requisitos fisicos esenciales.
Varios estudios recientes sugieren que es posible concebir «teorias probabilisticas generalizadas» mas amplias que la fisica cuantica pero que, sin embargo, no violan ningun principio fundamental. Tales teorias parecen guardar una intrigante relacion con la formulacion microscopica de la gravedad.
A diferencia de lo que ocurre en la Teoria de la Relatividad, donde el tiempo representa un papel esencial, en la Teoria Cuantica, el tiempo enseguida quedo relegado a un papel secundario, como un parametro. El famoso teorema de Pauli (1933) sobre la Imposibilidad de asociar el tiempo a un operador auto-adjunto en la mayoria de los sistemas fisicos hizo que los teoricos perdieran el interes por el tiempo como observable. Sin embargo, durante todos estos anos, los experimentalistas no han cesado de observar en los laboratorios fenomenos que se manifiestan a lo largo del tiempo y que ocurren, despues de preparar el sistema, en instantes bien definidos y aleatorios. Si entendemos como observable, en un sentido amplio, cualquier magnitud medible y cuyo resultado se puede reproducir repitiendo el experimento siempre en condiciones similares, llegamos a la conclusion de que existen muchos observables de tiempo. Un ejemplo importante, y aparentemente sencillo, del que hablaremos, es el tiempo de llegada de una particula a un detector. En los laboratorios se pueden preparar particulas en condiciones similares, lanzarlas contra un detector y obtener la distribucion de las llegadas. Estas llegadas se ajustan a patrones cuanticos, ya que el perfil de la distribucion muestra interferencias y difraccion en el tiempo. Tanto el concepto tiempo de llegada como la difraccion en el tiempo se llevan estudiando durante decadas, y sin embargo, al comenzar esta Tesis quedaban todavia muchas cuestiones pendientes de resolver, en particular, como construir operadores de Tiempo de llegada, y como explicar y observar la DET. Otro operador temporal, quizas el mas importante y cotidiano es el tiempo del reloj . Los relojes cuanticos son sistemas que se desplazan periodicamente con el tiempo. Podemos decir que hora es observando la posicion de la manecilla del reloj, y en general, el tiempo que ha transcurrido desde cualquier instante, pero las observaciones son tan aleatorias como el tiempo de llegada. En la practica, la hora oficial que se produce en los Institutos de metrologia no se genera con relojes cuanticos. Lo que de verdad se intenta, es establecer cada vez con mayor precision la frecuencia de una transicion entre dos niveles del atomo de Cesio y reproducirla en osciladores de cuarzo. El segundo se define simplemente contando un numero previamente acordado de estas oscilaciones. Para definir un tiempo cada vez mas preciso se ha recurrido a atomos cada vez mas lentos, pero esta estrategia tiene limites, como veremos: los limites impuestos por la mecanica cuantica a la precision que se puede alcanzar con atomos lentos es otro de los temas centrales de la Tesis. Volviendo al teorema de Pauli, su efecto paralizante se extendio incluso a duraciones tales como el TDP de una particula en una region del espacio, cuyo operador si es auto-adjunto y que por lo tanto no esta afectado por el teorema. No obstante, aunque la definicion y medicion del TDP en sistemas clasicos esta resuelta, no podemos afirmar lo mismo del caso cuantico, por la la ausencia de trayectorias clasicas. En esta Tesis hemos propuesto un metodo operacional para construir la distribucion de probabilidad de este operador a partir de mediciones experimentales. En resumen, el objetivo principal de la Tesis es encontrar respuestas a cuestiones fundamentales que ayuden a integrar los observables temporales en la mecanica cuantica y hemos establecido vinculos con experimentos y con la tecnologia de tiempo-frecuencia
Típicamente, en un experimento científico uno busca monitorear una pequeña parte del universo. En cierta medida, la muestra bajo observación estará influenciada por su entorno. Es posible lograr un muy buen aislamiento en el laboratorio, no obstante, los llamados sistemas cerrados perfectos no existen y, tarde o temprano, la muestra será afectada por sus alrededores. Esta es la naturaleza, sus diferentes componentes interactúan entre ellos. Cuando insistimos en estudiar solamente uno de ellos, la influencia de los demás no puede despreciarse. Las reacciones químicas, las transiciones atómicas, la termalización así como la vida misma son producto de la interacción con muchos grados de libertad sobre los cuales no tenemos control. En mecánica cuántica, el acoplo con el entorno es bastante famoso debido al problema de la decoherencia. El entorno introduce un desfase y la mayoría de superposiciones cuánticas desaparecen. La decoherencia provee una ruta para hacer las evoluciones cuánticas cada vez más clásicas y, de esta manera, explica la transición del mundo cuántico al clásico. Por otra parte, es un obstáculo en tecnologías cuánticas donde las reglas de operación son de naturaleza cuántica. Es claro que la llamada comunidad de información cuántica tiene especial interés en la interacción con el entorno. Con algunas excepciones, los protocolos convencionales en comunicación cuántica, computación o simulaciones deben de evitar las interacciones con el entorno. Las tecnologías cuánticas son bastante importantes ya que prometen resolver problemas muy difíciles. Luego, por razones fundamentales (entender como funciona la naturaleza), porque nos gustaría poder evitarla o incluso explotarla a nuestro favor, la teoría de sistemas abiertos tiene un papel central en la ciencia en general y la física en particular. Es momento de cambiar de dirección y enfocar esta introducción hacia los temas cubiertos en esta tesis. Como mencionamos antes, una comunidad especialmente interesada en la decoherencia es aquella que tiene como objetivodesarrollar un procesador cuántico. En particular, los laboratorios que trabajan en simuladores cuánticos analógicos, sistemas cuánticos bien controladoscuya evolución está gobernada por los hamiltonianos que se quiere simular. Esta idea es útil cuando estos hamiltonianos son difíciles o inclusive imposibles de resolver con ordenadores clásicos. De esta manera, los resultados de los experimentos son las soluciones que buscábamos resolver matemáticamente (por medio de un ordenador clásico). Como uno podría imaginar, la condición de controlabilidad (parámetros hamiltonianos, salidas, etc.) imponen el uso de aparatos externos que, a su vez, inducen un acoplo con el entorno. Incluso sin poseer aún una teoría de corrección de errores, incluso si este ruido siempre estará ahí, no hay porque ser tan pesimistas. Los experimentos ya han demostrado buenos resultados. El hamiltoniano que deseamos simular es importante ya que describe las propiedades de algúm material. Luego, como dicta la naturaleza, estos materiales estarán en contacto con un entorno que no podemos controlar. De esta manera, las fases encontradas en la naturaleza y que buscamos entender deben de ser robustas frente a aquellas imperfecciones. Finalmente, la disipación puede generar aquellas fases o incluso