Algunas cosas están relacionadas, otras no. Supongamos que seleccionamos al azar entre una multitud a una persona que es significativamente más alta que la media. En ese caso, es muy probable que también pese más que la media. Estadísticamente, una cantidad también contiene cierta información sobre la otra.

La física cuántica permite establecer vínculos aún más fuertes entre distintas cantidades: distintas partículas o partes de un sistema cuántico extenso pueden «compartir» cierta cantidad de información.

Existen curiosas predicciones teóricas al respecto: sorprendentemente, la medida de esta «información mutua» no depende del tamaño del sistema, sino sólo de su superficie. Este sorprendente resultado se ha confirmado experimentalmente en la Universidad Técnica de Viena y se ha publicado en Nature Physics.

Las aportaciones teóricas al experimento y su interpretación proceden del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica de Garching, la FU de Berlín, la ETH de Zurich y la Universidad de Nueva York.

Información cuántica: Más conectada de lo que permite la física clásica

Imaginemos un recipiente de gas en el que vuelan pequeñas partículas que se comportan de forma muy clásica como pequeñas esferas, explica Mohammadamin Tajik, del Centro de Ciencia y Tecnología Cuánticas de Viena (VCQ), primer autor de la presente publicación. Si el sistema está en equilibrio, las partículas de las distintas zonas del contenedor no saben nada las unas de las otras. Se las puede considerar completamente independientes entre sí. Por tanto, se puede decir que la información mutua que comparten estas dos partículas es cero.

Cámara de vacío que contiene el chip atómico | foto Thomas Schweigler, TU Viena

En el mundo cuántico, sin embargo, las cosas son diferentes: si las partículas se comportan cuánticamente, entonces puede ocurrir que ya no se las pueda considerar independientes unas de otras. Están conectadas matemáticamente: no se puede describir con sentido una partícula sin decir algo de la otra.

Para estos casos, existe desde hace tiempo una predicción sobre la información mutua que comparten los distintos subsistemas de un sistema cuántico de muchos cuerpos, explica Mohammadamin Tajik. En un gas cuántico de este tipo, la información mutua compartida es mayor que cero y no depende del tamaño de los subsistemas, sino sólo de la superficie exterior que los delimita.

Esta predicción parece intuitivamente extraña: en el mundo clásico, es diferente. Por ejemplo, la información contenida en un libro depende de su volumen, no sólo de la superficie de la cubierta. En el mundo cuántico, sin embargo, la información suele estar estrechamente ligada a la superficie.

Mediciones con átomos ultrafríos

Un equipo internacional de investigación dirigido por el profesor Jörg Schmiedmayer ha confirmado por primera vez que la información mutua en un sistema cuántico de muchos cuerpos se escala con el área de superficie y no con el volumen.

Para ello, estudiaron una nube de átomos ultrafríos. Las partículas se enfriaron justo por encima de la temperatura cero absoluta y se mantuvieron en su lugar mediante un chip atómico. A temperaturas extremadamente bajas, las propiedades cuánticas de las partículas adquieren cada vez más importancia. La información se dispersa cada vez más en el sistema, y la conexión entre las partes individuales del sistema global se hace cada vez más significativa. En este caso, el sistema puede describirse con una teoría cuántica de campos.

El experimento es todo un reto, afirma Jörg Schmiedmayer. Necesitamos información completa sobre nuestro sistema cuántico, lo mejor que permite la física cuántica. Para ello, hemos desarrollado una técnica especial de tomografía. Obtenemos la información que necesitamos perturbando un poco los átomos y observando la dinámica resultante. Es como lanzar una piedra a un estanque y obtener información sobre el estado del líquido y del estanque a partir de las ondas resultantes.

Mientras la temperatura del sistema no alcance el cero absoluto (lo cual es imposible), esta «información compartida» tiene un alcance limitado. En física cuántica, esto se relaciona con la «longitud de coherencia»: indica la distancia a la que las partículas se comportan cuánticamente de forma similar y, por tanto, se conocen entre sí.

Esto también explica por qué la información compartida no importa en un gas clásico, explica Mohammadamin Tajik. En un sistema clásico de muchos cuerpos, la coherencia desaparece; se puede decir que las partículas ya no saben nada de sus partículas vecinas. El experimento también confirmó el efecto de la temperatura y la longitud de coherencia en la información mutua.

La información cuántica desempeña un papel esencial en muchas aplicaciones técnicas de la física cuántica actual. Así pues, los resultados del experimento son relevantes para diversas áreas de investigación, desde la física del estado sólido hasta el estudio físico cuántico de la gravedad.

Fuentes

TU Wien | Tajik, M., Kukuljan, I., Sotiriadis, S. et al. Verification of the area law of mutual information in a quantum field simulator. Nat. Phys. (2023). doi.org/10.1038/s41567-023-02027-1

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