La nube atómica, clave para controlar un estado cuántico sin medirlo

Cuando aún trabajaba en el laboratorio, se hablaba mucho de algo llamado “control coherente”. La idea básica era tomar los principios de la teoría de control tradicional -la misma teoría que hace funcionar cosas como el control de crucero- y aplicarlos a los sistemas cuánticos.

De esos primeros trabajos surgieron ideas y conocimientos muy interesantes, pero ha costado un tiempo ponerlos en práctica. Ahora podríamos estar empezando a ver algunas aplicaciones prácticas, ya que los investigadores han demostrado en un nuevo artículo el enfriamiento activo de una membrana utilizando un control coherente.

La medición es mala

Un sistema de control tradicional tiene algo así como un estado deseado, como la velocidad objetivo de un coche. Midiendo repetidamente la velocidad de un coche y acelerando o desacelerando, el sistema de control puede llevar el coche a la velocidad objetivo.

Decidir cuánta aceleración o desaceleración aplicar en cada momento es el verdadero arte de construir un sistema de control. Pero la clave de todo el proceso es la medición. Sin ella, el sistema de control se desmorona.

Para dar una idea de hacia dónde nos dirigimos, vamos a ver cómo un sistema de control cuántico debe diferir de un sistema de control clásico. Imaginemos que tengo un sistema cuántico con dos estados posibles que llamaremos “arriba” y “abajo”. Mi objetivo es desarrollar un sistema de control para mi sistema cuántico. Elijo un estado objetivo para el sistema-arriba.

Mi sistema comienza en una superposición equilibrada de arriba y abajo, lo que significa que si mido el estado del sistema, tengo un 50% de posibilidades de obtener “arriba”. La otra mitad de las veces, obtengo “abajo”. Sin embargo, una vez que se ha medido, el estado está fijado y cualquier otra medición producirá los mismos resultados. A partir de ese momento no hay posibilidad de modificar el sistema.

En otras palabras, mi sistema de control no funcionará la mitad del tiempo, y la otra mitad, no tendrá nada que hacer.

Estado del cambio

Sin embargo, un sistema cuántico no es estático. Dejado a su aire, el estado de superposición inicial evolucionará: después de unos segundos, la probabilidad de medir “arriba” no será del 50 por ciento. Si comprendo mi sistema cuántico, puedo impulsar esa evolución con una luz, un campo magnético o alguna otra patada en los pantalones cuánticos. Si mi patada es oportuna -y de la cantidad justa- cuando mida, encontraré el sistema en el estado superior el 100 por ciento de las veces.

Lo que he descrito es sólo la mitad de un sistema de control, ya que sólo estoy usando un modelo (mi comprensión) del sistema cuántico para elegir el momento y la intensidad de la patada que le doy. El bucle puede completarse permitiendo que el sistema cuántico interactúe de algún modo con la patada que aplico para que se encienda y apague en los momentos adecuados. Sin embargo, mi sencillo ejemplo no sugiere inmediatamente una forma de hacerlo.

En un sistema cuántico más complicado, el efecto de una medición es más sutil. Introduce una acción inversa que puede limitar su capacidad para alcanzar el estado objetivo. En el siguiente ejemplo, el objetivo es enfriar una membrana, lo que básicamente significa extraer toda la energía térmica de la misma para que la membrana vibre en su estado de energía más bajo, un estado con un solo cuanto de energía.

Ahora imagina que mi sistema de control mide la vibración de la membrana para ajustar mi herramienta de extracción de energía (sea cual sea). La medición añadirá al menos un quanta de energía, por lo que incluso si llego al estado objetivo, mi medición sacará a la membrana del estado objetivo añadiendo energía. Evitar este paso de medición es el ingrediente mágico del sistema de control del investigador.

[content-egg module=Youtube template=custom/simple]