La naturaleza nos pone ciertos límites, y en el mundo de las partículas más pequeñas no es diferente. Ahora, un grupo de científicos acaba de demostrar cuál es el límite de velocidad para operaciones cuánticas complejas. Los resultados son importantes para la transferencia de información en computadoras cuánticas.

El estudio, liderado por el Dr. Andrea Alberti de la Universidad de Bonn en Alemania, fue publicado en Physical Review X.

Ejercicios imaginativo

Para los que no se dedican a la física cuántica, el equipo responsable del estudio propuso una analogía mucho más fácil de entender. Imagina un camarero que debe entregar una bandeja completa de copas de champán al menor tiempo posible. Tendría que correr de invitado a invitado a toda velocidad sin derramar una sola gota de líquido.

Para lograrlo, el camarero acelera sus pasos e inclina un poco la bandeja para que el champán no se derrame. A medio camino de la mesa, la inclina en la dirección opuesta y reduce la velocidad. Solo al detenerse por completo, vuelve a mantener su posición vertical. 

Extrapolemos el ejemplo al mundo cuántico. Aquí, los átomos son en cierto modo similares al champán: no se comportan como bolas de billar, sino más bien como un líquido. Cualquiera que quiera transportar átomos de un lugar a otro lo más rápido posible deberá ser tan hábil como el camarero.

“Incluso, existe un límite de velocidad que este transporte no puede superar”, explica Alberti.

El estudio

Los investigadores utilizaron un átomo de cesio como sustituto del champán y dos rayos láser perfectamente superpuestos como bandeja. La superposición, o interferencia, crea una onda de luz estacionaria: una secuencia de valles y crestas que no se mueven.

“Cargamos el átomo en uno de estos valles y luego pusimos la onda estacionaria en movimiento, esto desplazó la posición del valle en sí”, dijo Alberti. «Nuestro objetivo era llevar el átomo a la ubicación de destino en el menor tiempo posible sin que se derrame fuera del valle, por así decirlo».

Después de experimentar con la configuración, el equipo encontró que se requerían aceleraciones y desaceleraciones cuidadosamente calibradas para alcanzar el límite de velocidad general óptimo. Pero eso no es todo, la velocidad máxima no es la misma siempre: depende de la incertidumbre energética de la partícula. Es decir, cuanto más “libre” es una partícula respecto a sus estados energéticos, más rápida es. 

En el caso del transporte de un átomo, por ejemplo, cuanto más profundo es el valle en el que está atrapado el átomo de cesio, más dispersas están las energías de los estados cuánticos en el valle y, en última instancia, más rápido se puede transportar el átomo. Algo similar se puede ver en el caso del camarero: si solo llena los vasos hasta la mitad, corre menos riesgo de que el champán se derrame a medida que acelera y desacelera. 

Sin embargo, la libertad energética de una partícula no se puede incrementar arbitrariamente. “No podemos hacer que nuestro valle sea infinitamente profundo, nos costaría demasiada energía”, subraya Alberti.