Un cronómetro cuántico podría ser el mejor del universo

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Un cronómetro cuántico que mide el tiempo evitando todas, excepto una medición final, sería el más preciso permitido por la naturaleza, sugiere un nuevo estudio.

Para medir el tiempo que toma una serie de eventos, un cronómetro clásico diario mide el tiempo transcurrido para cada evento y los suma. Cada medida individual no altera un reloj clásico.

Ese no es el caso con un reloj cuántico. Si tuviera que detener y reiniciar un cronómetro cuántico, introduciendo efectivamente las mediciones, perturbaría el frágil estado cuántico y perdería precisión.

“Cada medición de tiempo está sujeta a una incertidumbre fundamental”, dice Giulio Chiribella de la Universidad de Oxford. “El cronómetro cuántico realiza una sola medición, por lo que solo se ve afectado una vez por la incertidumbre de las mediciones de tiempo. Para una secuencia de 100 eventos, el cronómetro cuántico es 100 veces más preciso que un cronómetro clásico “.

Él y sus colegas han demostrado cómo construir un cronómetro cuántico que puede evitar la acumulación de errores causados ​​por mediciones individuales.

Átomos como agujas del reloj
Un reloj cuántico implica preparar, por ejemplo, un átomo, de manera que oscile entre dos estados diferentes, donde cada estado es una superposición cuántica diferente de dos niveles de energía del átomo. Una oscilación se puede considerar como una sola rotación de la mano de un reloj. Una medición del tiempo implica determinar el estado cuántico del átomo a medida que oscila, y por lo tanto el ángulo que haría la manecilla del reloj.

Pero la mecánica cuántica decreta que cada medida da un empujón aleatorio a la manecilla del reloj. “Si tenemos una serie de mediciones, cada vez estamos empujando el sistema y amplificando las fluctuaciones”, dice Chiribella.

Para cada evento, en lugar de medir el ángulo de la manecilla del reloj (y, por lo tanto, el tiempo que toma el evento), el estado cuántico del reloj se transfiere a la memoria cuántica. La información se almacena como qubits, donde un qubit puede estar en una superposición de 0 y 1. La transferencia a la memoria no es una medida, por lo que no causa una fluctuación aleatoria en el reloj. Para reiniciar el cronómetro, la información se retira de la memoria, restaurando el átomo a su estado cuántico anterior exacto, esto es comparable a poner la manecilla del reloj en su posición anterior.

Memoria cuántica
La idea es simple, excepto por un gran problema. “La memoria cuántica es un recurso muy costoso”, dice Chiribella. “¿Cuánta memoria necesitas para una precisión determinada?”

Los investigadores demostraron que la memoria necesaria para preservar el estado cuántico del reloj se relaciona con la precisión que desea lograr: cuanto más preciso sea el reloj, más memoria necesitará, como en una computadora clásica, donde mayor sea la precisión de, por ejemplo, pi, más memoria necesita para almacenar sus dígitos decimales.

Dado este resultado, el equipo desarrolló un esquema para construir un cronómetro cuántico que utiliza la cantidad mínima de memoria permitida por las leyes de la mecánica cuántica.

“[Ellos] derivan el máximo límite cuántico en la cantidad de memoria necesaria para registrar el tiempo con una precisión prescrita”, dice Giacomo Mauro D’Ariano en la Universidad de Pavía en Italia. “Este es un resultado importante.”

Chiribella piensa que tal sistema podría algún día ser utilizado para, por ejemplo, medir la duración de alguna actividad biológica intermitente, como el disparo de una neurona, con gran precisión.

Referencia del diario: Procedimientos de la Royal Society A, DOI: 10.1098 / rspa.2017.0773

Este artículo fue publicado originalmente en New Scientist por Anil Ananthaswamy

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