De los saltos al control cuántico
Luis Quiroga [email protected]
Grupo de Física de la Materia Condensada
http://@fimaco.uniandes.edu.co
Cátedra MUTIS
Universidad Nacional de Colombia
Bogotá, 3 de Abril 2013
Contenido
1. Niels BOHR y la primera revolución cuántica: . Modelos atómicos . Saltos cuánticos . Dualidad onda-partícula, incertidumbre y probabilidad…
2. Segunda revolución cuántica: . Premio Nobel de Física 2012 . Saltos cuánticos y Control cuántico 3. Conclusiones
Niels H. D. Bohr Copenhague 1885- Copenhague 1962
http://www.aip.org/
Premio Nobel en Física 1922
Niels Bohr
Prize motivation: "for his services in the investigation of the structure of atoms and of the radiation emanating from them". http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/
“Cambiar de respuesta es evolución...
cambiar de pregunta es revolución”
Jorge Wagensberg, Más árboles que ramas Tusquets Editores, Barcelona, 2012
Parte - 1
Niels Bohr Primera revolución cuántica
Determinar las leyes básicas que gobiernan el mundo atómico
www.glogster.com
Kelvin & Helmholtz : Éter como fluido ideal + átomos como vórtices en él. Modelo mecánico ≈ Cuerda & nudos
Faraday & Maxwell : Éter como substrato electromagnético
Modelo de J.J.Thomson Cambridge University, 1903-04
Joseph John Thomson Manchester1856- Cambridge 1940
Premio Nobel de Física 1906
Prize motivation: "in recognition of the great merits of his theoretical and experimental investigations on the conduction of electricity by gases". http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/
Credit: Encyclopædia Britannica, Inc.
Modelo de J.J.Thomson Cambridge University, 1903-04
Experimento de H.Geiger & E.Marsden
1909-10
Ernest Rutherford Nelson (New Zealand) 1871- Cambridge 1937
Premio Nobel de Química 1908
ketzal.wordpress.com
Prize motivation: "for his investigations into the disintegration of the elements, and the chemistry of radioactive substances". http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/
http://www.chem1.com/acad/webtext/atoms/atpt-3.html
PhD, University of Copenhague, 1911 Thesis=Electronic Theory of Metals
Post-doc: Cambridge University, 1911
(J.J.Thomson)
Cambio a Manchester University, 1912 (Radioactividad, E.Rutherford)
Niels Bohr
1913…
www.theworldsgreatbooks.com
Trilogía de 1913 en Philosophical Magazine: On the constitution of atoms and molecules
Part I: Series 6, Vol. 26, p.1 (July) Part II: Series 6, Vol. 26, p.476 (September) Part III: Series 6, Vol. 26, p.857 (November)
Espectros atómicos y saltos cuánticos
www.mabra.it
Espectros atómicos y saltos cuánticos
www.cielodeguadaira.org
Espectros atómicos y saltos cuánticos
The Balmer series of hydrogen as seen by a low-resolution spectrometer. Credit: Arthur L. Schawlow, Stanford University, and Theodore W. Hansch, Max Planck Institute for Quantum Optics
Espectros atómicos y saltos cuánticos
teachers.bcps.org www.mabra.it
Einstein, Podolski & Rosen, Phys.Rev. 47, 777 (1935)
“La mecánica cuántica es una teoría incompleta: no incluye todos los elementos de realidad”
Einstein contra la complementariedad!
Bohr vs. Einstein
Enredamiento! (Entanglement)
No-localidad!
"Every word I utter is to be understood not as an affirmation but as a question."
"Anyone who is not shocked by quantum theory has not understood it“.
Niels Bohr
“There are things so serious that you can only joke about them“.
S.S.Schweber, Am.J.Phys. 60, 1052 (1992)
Qué dijeron otros sobre Bohr?
H.Margenau: “Bohr’s atom sat like a baroque tower upon the Gothic base of classical electrodynamics."
P.Ehrenfest: called Bohr’s model “completely monstrous."
A.Einstein: the Bohr’s atom“one of the greatest discoveries"
W.Heisenberg: “I learned optimism from Sommerfeld, mathematics in Göttingen, and physics from Bohr”.
E.Schrödinger: “If all this damned quantum jumping were really here to stay, I should be sorry I ever got involved with quantum theory”.
S.S.Schweber, Am.J.Phys. 60, 1052 (1992) L.S.Feuer, Am.J.Phys. 54, 762 (1986)
sp.depositphotos.com www.openscience.org
www.3833.com
Parte - 2
Segunda revolución cuántica
Otro legado de Bohr: control y tecnologías cuánticas
Control cuántico
Organizar y controlar las componentes de un sistema complejo gobernado por las leyes de la física
cuántica
• Control espacial en nanómetros… NANOTECNOLOGÍA •Control temporal en femtosegundos… ESPECTROSCOPÍA ULTRA-RÁPIDA •Control a nivel de fotones individuales… ÓPTICA CUÁNTICA
Recursos experimentales…
Luz & Materia … a nivel cuántico
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Observación y manipulación de objetos cuánticos individuales:
▬►Segunda revolución cuántica
“We never experiment with one electron, or atom or molecule. In thought-experiments, we sometimes assume that we do. This invariably entails ridiculous consequences...” British Journal of the Philosophy of Science (1952)
En 1952, Erwin Schrödinger pensaba que la manipulación de objetos microscópicos únicos era algo
imposible or photon
Premio Nobel en Física 2012 Control cuántico
France USA
Del control cuántico a las tecnologías cuánticas
1- Probabilidad e incertidumbres 2- Cuantización de la energía 3- Tunelamiento 4- Superposición 5- Enredamiento 6- Pérdida de la coherencia cuántica 7- ...
http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2012/haroche-lecture.html
Montaje experimental S.Haroche
Creación de gatos de Scrhödinger
Muerte de gatos de Scrhödinger:
decoherencia
Iones uno por uno…
Ión único!
Saltos cuánticos…
Alta energía
Baja energía
1- Saltos instantáneos 2- En instantes aleatorios e incontrolados 3- Sólo se puede determinar la distribución estadística de los saltos
Observar saltos cuánticos en sistemas de materia condensada?
http://www.physics.ucsb.edu/~awschalom/
Centros NV de color en diamante
D.Awschalom et al., Scientific American, p.84, Octubre 2007
NV en diamante = qubit controlado por luz
Spin=1
Centro Nitrógeno-Vacancia (NV) en diamante
3A
3E 1A
ΔE
=1.9
45
eV
3 G
Hz
Diamante: -bandgap 6 eV -Tdebay: 2000K Largo T2 de defectos a TA
Optical detection of single defects, Gruber A, Wrachtrup J et al, SCIENCE 276, 2012 (1997)
Control cuántico de NVs en diamante
… a temperatura ambiente…
D.D.Awschalom et al., Science 339, 1174 (2013)
Oscilaciones de Rabi
APS/S. Benjamin and J. Smith
Physics 4, 78 (2011) DOI: 10.1103/Physics.4.78 Driving a Hard Bargain with Diamond Qubits
Enredamiento de NVs en diamante
Enredamiento No-localidad de la física cuántica
“El enredamiento es la esencia del quantum” E.Schrödinger, 1935
Nature, in press
M.D.Lukin et al., Nature 467, 278 (2010)
Saltos cuánticos en centros NV en diamante
… a temperatura ambiente…
Saltos cuánticos en centros NV en diamante
… a temperatura ambiente…
Conclusiones y perspectivas…
S.K.Saikin et al., cond-mat/1304.0124
Conclusiones y perspectivas…
· Tecnología de la información cuántica
· Sistemas cuánticos electromecánicos · Electrónica cuántica coherente - Spintronics
· Fotónica – Óptica cuántica · Materia cuántica coherente
· Biología cuántica?...
Tecnologías cuánticas
Control cuántico
FIN