Medir como se altera lo observado y Heisenberg

El principio de incertidumbre de Werner Heisenberg ha atormentado a los físicos cuánticos durante casi un siglo, hasta hace poco. Investigadores de la Universidad de Toronto demostraron que sí es posible medir directamente la perturbación de la medición y confirmaron que Heisenberg fue demasiado pesimista.

El principio formulado por el físico teórico en 1927, es una de las piedras angulares de la mecánica cuántica. En su forma más conocida, establece que es imposible medir algo sin alterarlo con esa medición. Por ejemplo, cualquier intento de medir la posición de una partícula cambiará aleatoriamente su velocidad por el mero hecho de observarlo.

“Diseñamos un aparato para medir una propiedad (la polarización) de un solo fotón. A continuación, necesitábamos medir cuánto el aparato había alterado a ese fotón. Para hacer esto, necesitábamos medir al fotón antes de ser sometido al aparato, pero esta medición también lo hubiera alterado”, cuenta Lee Rozema, candidato al doctorado en el grupo de investigación del profesor Aephraim Steinberg, en la Universidad de Toronto, y autor principal de un estudio publicado esta semana en la revista Physical Review Letters.

A fin de superar este obstáculo, Rozema y sus colegas emplearon una técnica conocida como medición débil, en la que la acción de un dispositivo de medición es lo suficientemente débil como para tener un impacto imperceptible en lo que se está midiendo. Antes de que cada fotón fuera enviado al aparato de medición, los investigadores lo midieron con la técnica mencionada antes y después de haber pasado por el aparato para comparar los resultados. Encontraron que la perturbación inducida por la medición es menor de lo que la relación de Heisenberg, entre precisión y alteración, exige.

“Cada intento sólo nos daba una pequeñísima parte de información acerca de la perturbación, pero tras repetir el experimento muchas veces llegamos a tener una clara idea de cuánto el fotón había sido alterado”, dice Rezema.

Estos hallazgos se suman a distintos cuestionamientos del principio de Heisenberg hechos por científicos en todo el mundo. El físico de la Universidad de Nagoya, Mazanao Ozawa, sugirió en 2003 que el principio de incertidumbre de Heisenberg no se aplica a las mediciones, pero podría sugerir una forma indirecta de confirmar sus predicciones.

Una validación de la clase que propuso fue llevada a cabo por el grupo de investigación de Yuji Hasewaga en la Universidad Tecnológica de Viena. En 2010, los científicos de la Griffith University Austin Lund and Howard Wiseman mostraron que la técnica de medición débil podía usarse para caracterizar el proceso de medición de un sistema cuántico.

Se asume con frecuencia que el principio de Heisenberg aplica tanto a la incertidumbre propia de un sistema que un sistema cuántico posee, como a las mediciones mismas. “Estos resultados obligan a ajustar nuestra visión la mecánica cuántica respecto de las mediciones. El mundo cuántico sigue estando lleno de incertidumbre, pero al menos nuestros intentos de mirar dentro de él no causan tanta como pensábamos”, afirma Rozema.

Referencias:

Lee Rozema, Ardavan Darabi, Dylan Mahler, Alex Hayat, Yasaman Soudagar, Aephraim Steinberg. “Violation of Heisenberg’s Measurement-Disturbance Relationship by Weak Measurements”. Physical Review Letters.