Científicos recrean un extraño efecto cuántico que detiene una partícula en seco

Un grupo de investigadores de la Universidad de Oxford logró recrear un fenómeno cuántico sorprendente: una partícula puede verse influenciada por un campo magnético sin necesidad de atravesarlo. Este hallazgo se realizó mediante el uso de un ordenador cuántico híbrido, que demostró cómo un flujo magnético simulado puede detener por completo el movimiento de una partícula a través de la interferencia cuántica.

El experimento reprodujo un fenómeno conocido como el efecto Aharonov-Bohm, donde una partícula cargada que viaja alrededor de una región con flujo magnético experimenta un cambio medible en su estado cuántico, a pesar de no pasar por el campo magnético en sí. Este trabajo, publicado en la revista Nature Physics, abre nuevas posibilidades para investigar interacciones fundamentales entre la materia y los campos cuánticos, que son cada vez más difíciles de simular con computadoras convencionales.

Un Efecto Cuántico Predicho en 1959

En la física clásica, una partícula cargada reacciona a los campos eléctricos y magnéticos que encuentra. Sin embargo, la mecánica cuántica revela comportamientos en las partículas que no tienen un equivalente directo en nuestra experiencia cotidiana. En 1959, los físicos Yakir Aharonov y David Bohm predijeron que una partícula cargada podría verse afectada por un flujo magnético incluso si se desplazaba completamente fuera de la región que contiene dicho campo. En lugar de experimentar una fuerza magnética convencional a lo largo de su trayectoria, la partícula sufriría un cambio en su fase cuántica.

La fase cuántica describe un aspecto del comportamiento ondulatorio de una partícula que influye en cómo diferentes caminos posibles interfieren entre sí. Aunque la fase en sí no es visible, las diferencias en la fase pueden producir efectos medibles. Esta predicción, conocida como el efecto Aharonov-Bohm, fue verificada en experimentos con electrones reales y se considera una de las demostraciones más claras de que el mundo cuántico opera según reglas que van más allá de las leyes de la física clásica.

Los investigadores están ahora explorando cómo este fenómeno se comporta en sistemas teóricos más complejos, conocidos como teorías de gauge en red. Estas teorías describen cómo la materia interactúa con campos asociados a fuerzas fundamentales y representan el espacio como una cuadrícula, con la materia ubicada en puntos individuales y los campos asociados a las conexiones entre ellos. Sin embargo, la matemática se vuelve extraordinariamente compleja a medida que estos sistemas se complican, lo que dificulta que incluso las computadoras convencionales calculen cómo evolucionan todos los componentes interactuantes.

Cómo se Construyó el Experimento Cuántico

El proyecto de Oxford comenzó en 2022, cuando el autor principal, Dr. Sebastian Saner, junto con Dr. Oana Bazavan y sus colegas, desarrollaron una forma de simular teorías de gauge en red utilizando un sistema cuántico híbrido. Colaboraron con Dr. Alejandro Bermúdez del Instituto de Física Teórica en Madrid.

El diseño experimental se basó en dos componentes cuánticos diferentes que cumplían funciones separadas. El primero consistía en qubits codificados en los estados internos de iones atrapados, que son átomos cargados eléctricamente mantenidos en su lugar mediante campos electromagnéticos. Estos qubits representaron los campos de gauge en el modelo teórico. El segundo componente utilizó osciladores cuánticos, creados por las vibraciones de esos mismos iones atrapados, que representaron la materia.

Al combinar ambos, los investigadores construyeron un bucle simple que sirvió como un bloque básico de una teoría de gauge en red. Dos osciladores representaron la materia en diferentes ubicaciones, mientras que dos qubits representaron los campos que conectan esas ubicaciones. Aunque el arreglo era pequeño, fue suficiente para reproducir una interacción importante entre la materia y el flujo magnético.

Entrelazamiento Cuántico y una Solución Sorprendente

Los investigadores colocaron los dos qubits en un estado cuántico entrelazado. El entrelazamiento es un fenómeno donde los sistemas cuánticos se vinculan de maneras que no pueden explicarse completamente mediante la física clásica. Dentro de la teoría de gauge en red simulada por el equipo, este estado entrelazado representó el flujo magnético que pasaba por el centro del bucle.

Inicialmente, los investigadores planeaban introducir el flujo magnético como una condición de fondo fija. Sin embargo, crear la interacción necesaria habría requerido capacidades que su hardware cuántico no poseía. Codificar el flujo directamente en los qubits proporcionó una alternativa práctica y permitió que el flujo magnético se convirtiera en parte del sistema cuántico en evolución, en lugar de ser una influencia externa invariable.

Con el bucle simulado en su lugar, los científicos examinaron cómo una partícula de materia se movía entre ubicaciones a través de un proceso conocido como túnel cuántico. Este proceso permite que las partículas se desplacen entre estados de maneras que no serían posibles bajo reglas clásicas. Cuando los investigadores ejecutaron su simulación sin flujo magnético, la partícula podía moverse libremente alrededor del bucle. Sin embargo, al introducir el flujo simulado, el resultado fue notablemente diferente.

La partícula tenía dos caminos posibles alrededor del bucle, pero el flujo magnético alteró sus fases cuánticas relativas. Como resultado, los dos caminos interfirieron de manera destructiva, lo que significó que sus contribuciones cuánticas se cancelaron mutuamente. Esta interferencia suprimió por completo el túnel, dejando a la partícula simulada congelada en su estado original.

Este resultado demostró el efecto Aharonov-Bohm dentro de una teoría de gauge en red que contenía un campo dinámico. En lugar de simplemente reproducir el comportamiento familiar de una partícula moviéndose alrededor de una influencia magnética fija, el experimento mostró cómo el fenómeno puede surgir cuando tanto la materia como el campo están representados por componentes cuánticos interactuantes.

Una Nueva Herramienta para Explorar la Física Fundamental

Los hallazgos de Oxford se publicaron junto a un estudio relacionado de investigadores de la Universidad de Maryland, liderado por el Profesor Norbert Linke. Este equipo también utilizó un sistema cuántico híbrido, pero su experimento se centró en simular el potencial de Yukawa, una descripción matemática de una interacción relevante para la física nuclear y de partículas.

Aunque ambos grupos de investigación desarrollaron sus métodos de manera independiente, luego coordinaron la presentación de sus estudios a Nature Physics. Juntos, los experimentos demuestran cómo las computadoras cuánticas híbridas podrían convertirse en herramientas valiosas para investigar interacciones fundamentales que son difíciles de reproducir mediante simulaciones clásicas. Al combinar diferentes tipos de componentes cuánticos, los investigadores pueden construir sistemas en los que la materia y los campos se representan de maneras que reflejan más de cerca la física que desean estudiar.

El experimento de Oxford proporciona un ejemplo de ese potencial. Un fenómeno predicho por primera vez en 1959 y luego observado con electrones ha sido recreado en un simulador cuántico donde el campo mismo participa en la dinámica, ofreciendo a los científicos otra forma de explorar las inusuales reglas que rigen el mundo cuántico.

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