Superposición sin mitos
Lección 2 de 23 del curso «Cuántica». Gratis, con animaciones y un test.
La moneda: buen comienzo, pero no todo
La superposición se explica a menudo con una moneda: mientras gira en el aire, es “cara y cruz a la vez”. Como primera imagen vale. Pero el resultado de la moneda ya está decidido: el lanzamiento y el aire fijan su vuelo, solo que no sabemos la respuesta. Una partícula cuántica no tiene respuesta antes de medirla. Tiene un conjunto de amplitudes, enseguida las vemos. Parece un juego de palabras, pero la diferencia se puede comprobar con un experimento. Te mostramos cuál.
Amplitudes: probabilidades con signo
Cada resultado posible tiene una amplitud. La probabilidad de verlo es la amplitud al cuadrado. Ejemplo: amplitud 0,7, probabilidad 0,7 × 0,7 ≈ 0,5, o sea, 50%. La gran diferencia con las probabilidades normales: una amplitud puede ser negativa. Las probabilidades de las monedas solo se suman: 25% y 25% nunca darán cero. Pero las amplitudes +0,5 y −0,5 se anulan y dan cero. Este truco se llama interferencia, y sobre él se apoya toda la magia cuántica.
Experimento: un espejo semitransparente
Un espejo semitransparente deja pasar la mitad de la luz y refleja la otra mitad. Enviamos fotones estrictamente de uno en uno. Detrás hay dos detectores, A y B. Un fotón nunca se parte en dos: cada vez suena exactamente un detector, y no se puede adivinar cuál. Tras mil fotones, A y B tienen más o menos lo mismo, 50% cada uno. De momento, igual que una moneda justa. Recuerda esta imagen, porque vamos a romperla.
El segundo espejo rompe la moneda
Ahora juntamos los dos caminos en un segundo espejo semitransparente. La lógica de la moneda dice: en cada espejo otra vez 50/50, así que A y B tienen 50% cada uno. En el experimento real solo suena A, el 100% de las veces. B calla. Por qué: a B llegan dos amplitudes con signos opuestos y se anulan, y en A se suman. Esto se comprobó con fotones individuales ya en 1986 en Francia, en el grupo de Alain Aspect. Una moneda no puede hacer eso.
Espiaste: la magia desapareció
Ponemos en un camino un detector que registra si el fotón pasó por ahí. Y listo: otra vez 50/50, suenan A y B. En cuanto en algún lugar del mundo existe información sobre el camino del fotón, las amplitudes dejan de anularse. La superposición vive solo mientras nadie ni nada conoce el camino. Es una regla clave para los cúbits: cualquier fuga de información hacia fuera rompe el cálculo. Por eso se aíslan del mundo con tanto cuidado.
Electrones de uno en uno
1989, un laboratorio de Hitachi en Japón. Akira Tonomura dispara electrones de uno en uno a través de una “doble rendija”. Cada electrón deja un punto en la pantalla en un lugar aleatorio. Tras una docena, parece caos. Tras miles, los puntos forman franjas, como si las ondas de dos rendijas se superpusieran. Pero los electrones iban de uno en uno. O sea, cada uno interfirió consigo mismo. Ese video aún se muestra en clases de todo el mundo.
Mito: “dos clones a la vez”
Se suele leer que una partícula en superposición está en dos sitios a la vez. Suena genial, pero confunde. Nadie ha atrapado nunca dos copias: al medir, la partícula siempre está en un solo lugar. Más preciso: antes de medir, la partícula no tiene un lugar definido, y cada lugar posible tiene su propia amplitud. Un ordenador cuántico trabaja justo con estas amplitudes: hace que las respuestas incorrectas se anulen entre sí.
Ponte a prueba
- ¿Qué mostrarán los detectores si pones un “espía” en un camino?
Respuesta correcta: Más o menos 50% en A y 50% en B. El detector crea información sobre el camino. Con ella, las amplitudes ya no se anulan y el experimento se vuelve una moneda justa. - Dos amplitudes llegan al detector B: +0,5 y −0,5. ¿Qué probabilidad hay de que suene B?
Respuesta correcta: 0%. Primero sumas las amplitudes: +0,5 + (−0,5) = 0. Luego al cuadrado: 0² = 0. Probabilidad cero, B calla. - ¿Qué explicación de la superposición es más precisa?
Respuesta correcta: Aún no hay lugar, cada opción tiene su amplitud. Antes de medir no hay lugar definido. Hay amplitudes que pueden sumarse o anularse. Al medir siempre obtienes un lugar.