La superposició quàntica és un concepte que cada cop s'està sentint més i més. Aquesta propietat de la naturalesa s'està utilitzant a les llavors dels ordinadors quàntiques, la teletransportació quàntica i l'Internet quàntic. Tot i això, són moltes les persones que no coneixen bé sobre la superposició quàntica i els sona a xinès.
En aquest article explicarem què és la superposició quàntica, les seves característiques i importància.
Què és la superposició quàntica
La superposició quàntica és un principi fonamental de la mecànica quàntica que expressa l'existència simultània d'un sistema físic, com un electró, en tots els possibles estats teòrics. Quan s'observa, només podeu «col·lapsar» en una d'aquestes configuracions. Aquesta “congelació” és aleatòria però es basa en les lleis de la probabilitat.
Una manera d'entendre la superposició quàntica, almenys de forma simplificada, és pensar que una partícula pot estar en dos estats excitats alhora, però un cop observada només en revela un. Per tant, la superposició s'utilitza àmpliament a la computació quàntica. Un qubit o cúbit pot prendre tant els valors 0 com 1; a diferència dun bit, un bit ha de ser 0 o 1.
Aquest estat de superposició quàntica és el resultat d'una proposta teòrica del duc francès Louis de Broglie, que va proposar el 1924 que els electrons no són partícules sinó ones. És a dir, els electrons no són “boles” de matèria amb interaccions clàssiques (com ara col·lisions entre boles de billar), sinó ones que viatgen per l'espai. Això és real.
Superposició quàntica d'electrons
Si imaginem els electrons com a «boles», la suma d'un més l'altre ens dóna una idea falsa de com es comporta la matèria perquè els imaginem apilats com a boles. Alguns són a dalt, altres a baix i altres als costats. Tot i això, la matèria no funciona així a nivell quàntic, només a nivell macroscòpic. Això és nostre.
El fenomen de la superposició quàntica és més fàcil d'entendre des de la perspectiva que la matèria es comporta com a ones. A diferència de la matèria, les ones es poden superposar. A nivell quàntic, la matèria es comporta com a ones i passa una cosa interessant: la matèria es pot «sumir» entre si.
Es pot observar una analogia interessant a la natura. La imatge següent mostra les ones que deixen les gotes d'aigua a la superfície de l'aigua. És una ona circular que es propaga durant una superfície. Qualsevol que hagi llançat alguna vegada una pedra a un llac ho sabrà. En principi, cada ona és independent.
Tot i això, la superposició d'ones passa sempre que dues ones coincideixen. És a dir, sumar o restar-ne les magnituds. Quan es troben les dues crestes, l'aigua puja molt. On hi ha dues valls, veiem depressions. Si els pics coincideixen amb les valls, la suma de les ones donarà com a resultat la cancel·lació.
Ones i superposició quàntica
Si els electrons són ones que es mouen per l'espai, les ones poden fer coses similars a les que apareixen a l'aigua. El fenomen és molt més complicat, però heus aquí una manera de simplificar-lo. Però la pregunta que preocupa molts és: on són els electrons?
Segons les lleis de la mecànica quàntica, la superposició quàntica pot passar fins que s'observin les partícules. Aleshores la funció d'ona (la que descriu la probabilitat que una partícula tingui un estat o un altre, que és com representem els sistemes de partícules) col·lapsa o es defineix com una funció d'ona més específica.
Si bé no és del tot correcta, es pot fer servir la següent analogia. Un globus d'heli sura en una habitació fosca. Primer, és impossible saber exactament on és el globus perquè hi ha fluxos d'aire molt complicats que mouen el globus de banda a banda. És possible determinar la probabilitat que el globus estigui ubicat en un lloc o altre. Aquesta és la funció d'ona.
Com saps on és ara? Com fer que la funció d'ona «col·lapsi»? Un experiment que es pot fer és llençar dards. Si el dard passa per on no hi ha el globus, no escoltem cap so. Tot i això, si el dard travessa el globus, escoltem una explosió. La conclusió és: el globus determinarà la seva posició independentment que el dard el colpegi o no. És a dir, «col·lapsarà» en un sentit físic i revelarà on és.
Tot i que no és una analogia perfecta, l'exemple del globus ajuda a comprendre com els electrons es poden distribuir en una determinada regió de l'espai alhora, i com només quan ho observes pots determinar de què es tracta.
Utilitat actualment
Si aquesta propietat és tan interessant és perquè es podria utilitzar per construir ordinadors quàntics. L'any 2016, un equip d'investigadors va aprofitar les propietats quàntiques de la matèria, inclosos els estats de superposició, per permetre la transmissió d'informació a llarga distància.
En 2017 un altre equip va teletransportar amb èxit un estat quàntic entre dos nodes connectats. El 2022, un grup d'investigadors va aconseguir teletransportar un estat quàntic entre dos nodes desconnectats gràcies al fet que els nodes d'Alice, Bob i Charlie estaven connectats un per un. Mitjançant aquests experiments, és possible construir un Internet més fiable
En l'actualitat, els científics estan explorant maneres d'aprofitar aquesta propietat per resoldre problemes que serien molt difícils o fins i tot impossibles d'abordar amb els ordinadors clàssics. En un ordinador quàntica, els bits clàssics (0 o 1) són reemplaçats per cúbits, que poden estar en superposició, cosa que significa que poden representar 0 i 1 alhora. Això permet que l'ordinador quàntica explori múltiples solucions simultàniament, cosa que resulta en un potencial enorme per resoldre problemes complexos en àrees com la criptografia, la simulació de materials i l'optimització.
Una altra aplicació intrigant és la comunicació quàntica segura. A causa de la propietat de la superposició quàntica, qualsevol intent d'interferir amb la informació transmesa es detecta immediatament, cosa que podria portar a sistemes de comunicació pràcticament impenetrables i assegurar la privadesa de la informació.
Espero que amb aquesta informació puguin conèixer més sobre la superposició quàntica, les seves característiques i la seva utilitat.