Energía

Crean un estado cuántico entrelazado de polarización de fotones en partículas biológicas


Como ya sabemos, no se puede concebir la realidad sin la Mecánica Cuántica (MC), pues controla el mundo microscópico. La formación de los átomos y de sus núcleos o la formación de toda molécula puede explicarse mediante la Mecánica Cuántica. Los chips electrónicos del ordenador con el que usted, amigo lector, lee esta nota, también dependen de la Mecánica Cuántica. Una vez se la conoce un poco, la Mecánica Cuántica es casi cotidiana.

La célula fotoeléctrica del ascensor o las placas solares del tejado (si es que se tienen) funcionan bajo los mismos principios. La explicación al efecto fotoeléctrico tiene ya más de 100 años y fue dada por Albert Einstein. Por tanto, la Mecánica Cuántica debe jugar un papel esencial en la fotosíntesis, pero los detalles del proceso se han empezado a conocer recientemente.

Y, por supuesto, si no fuera por la Mecánica Cuántica tampoco habría vida, porque no se formarían moléculas orgánicas, empezando por el ADN. De hecho, sin la MC los átomos serían inestables y no habría química alguna, así que no habría bioquímica ni, por lo tanto, vida. Así que si nos dicen que la vida está controlado por la MC nos están diciendo una obviedad. Siempre y cuando nos circunscribamos a fenómenos cuánticos triviales, claro está.

Porque, además, la MC presenta fenómenos raros que se dan a nivel teórico y experimental para los cuales siempre ha sido complicado dar una interpretación que sea aceptada por todos los físicos. Llamaremos a estos casos fenómenos cuánticos “no triviales”.

Una de las cosas que más sorprendentes de la MC es el entrelazamiento cuántico. En virtud de este fenómeno, dos partículas separadas están correlacionadas cuánticamente de tal modo que el colapso de la función de ondas de una de ellas determina el estado de la otra instantáneamente. Los estados de ambas partículas estarán indeterminados hasta que una medida colapse el estado de spin o polarización de una de estas partículas, entonces, automáticamente, el estado de la otra quedará totalmente determinado de manera instantánea, incluso si median años luz de distancia. Aunque esto no viola la causalidad relativista, porque no se transmite información. Hay que admitir que todo esto es un poco incómodo.

Otro tipo de fenómeno no trivial es el de la superposición de estados, de tal modo que una partícula puede estar en dos o más estados a la vez hasta que colapsa en uno de ellos al medir. Es el caso del famoso gato de Schrödinger.

Este tipo de fenómenos son muy difíciles (pero no imposibles) de mostrar en el laboratorio. El problema es que normalmente todo se va al traste con la menor perturbación (proceso al que se llama decoherencia), por eso a veces hay que enfriar el sistema a estudiar hasta temperaturas cercanas al cero absoluto, momento en que cesa toda vibración.

Mantener la coherencia cuántica de tal modo que se tenga una partícula en una superposición de un par de estados durante un corto periodo de tiempo es todo un logro.

Cuando se aumenta el número de partículas de un sistema cuántico más difícil es mantener la coherencia. Aunque se ha llegado a proponer hacer una análogo al experimento mental del gato de Schrödinger, pero con virus.

Hasta hace poco se creía que los seres vivos estaban demasiado calientes y húmedos como para soportar fenómenos cuánticos no triviales, pero la investigación en el tema de la fotosíntesis reveló que no era así.

Ahora, un estudio reciente de un grupo de investigadores dirigidos por Prem Kumar (Northwestern University) añade un caso más al asunto al crear un entrelazamiento cuántico entre sistemas biológicos no vivos. Esto podría permitir una mejor comprensión de los fundamentos de los sistemas vivos y quizás obtener aplicaciones tecnológicas.

“¿Podemos aplicar las herramientas cuánticas para aprender más acerca de la biología? La gente se ha preguntado por esta cuestión durante muchos años, remontándose desde el advenimiento de la Mecánica Cuántica. La razón por la que estamos interesados en estos estados cuánticos es porque nos permiten aplicaciones que serían de otro modo imposibles”, dice Kumar.

Investigadores como Kuman están interesados en usar el entrelazamiento cuántico para distintas aplicaciones prácticas, incluidas las telecomunicaciones cuánticas. Así, por ejemplo, fotones entrelazados pueden usarse para mandar mensajes “cifrados” cuánticamente de una forma rápida y segura.

Este grupo de investigadores se preguntó si se podrían usar para estos procesos un substrato biológico. Entonces se fijaron en las proteínas fluorescentes responsables de la bioluminiscencia en algunos seres vivos y que han venido siendo usadas en investigación biomédica para otros fines.

Así que intentaron entrelazar fotones generados por estas sustancia, mientras estaban dentro de la estructura proteica en forma de barril de un alga, mediante la exposición a una luz que era mezcla de cuatro longitudes de onda distintas. Durante este tipo de proceso, varias longitudes de onda interaccionan unas con otras para producir una nueva longitud de onda.

A lo largo de distintos experimentos demostraron en concreto que se daba un tipo de entrelazamiento: el entrelazamiento de polarización entre pares de fotones. En estos pares de fotones, la polarización de los mismos está entrelazada de tal modo que la dirección de oscilación de esos dos fotones está relacionada entre sí. La medida del estado de polarización de uno de ellos determina el del otro. Además, notaron que la estructura proteica en forma de barril que rodea a las proteínas fluorescentes protegía al entrelazamiento de la decoherencia.

“Cuando medíamos la polarización vertical de una partícula, sabíamos que iba a ser la misma en el otro lado. Si mediamos la polarización horizontal de una partícula, podíamos predecir la polarización horizontal de la otra partícula. Creamos un estado entrelazado que correlacionaba todas las posibilidades simultáneamente”, dice Kumar.

Ahora que han demostrado que es posible crear un estado cuántico entrelazado en partículas biológicas, el siguiente paso de este grupo de investigadores es crear un substrato biológico de partículas entrelazadas que pueda ser usado en una máquina cuántica. Entonces tratarán de comprender si este substrato funciona de manera más eficiente que uno sintético no biológico.

Fuente: Neofronteras.com


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