Los sistemas cuánticos están en constante interacción con su entorno, lo que genera ruido y altera su evolución. Esta interacción puede dejar huellas del pasado en su comportamiento, lo que plantea la pregunta de cuándo un sistema “recuerda” su historia y cuándo no. Este tema es fundamental en la física cuántica, ya que influye en fenómenos como la decoherencia, la estabilidad de los qubits y el funcionamiento de dispositivos cuánticos futuros.
Un nuevo estudio realizado por investigadores de Finlandia, Italia y Polonia aborda esta cuestión al examinar cómo evoluciona un sistema cuántico en el tiempo. Los autores proponen analizar el problema desde dos enfoques diferentes dentro de la teoría cuántica, con el fin de determinar si la noción habitual de memoria en estos sistemas abarca realmente todo lo que sucede o si hay aspectos que han sido pasados por alto en análisis previos.
Definiendo la memoria en sistemas cuánticos
En la física clásica, la memoria se define de manera sencilla: un sistema es “sin memoria” si su evolución futura depende únicamente de su estado actual. Si los estados previos siguen influyendo en el comportamiento posterior, se dice que el sistema tiene memoria.
Este concepto se relaciona con la distinción entre procesos markovianos y no markovianos. En un proceso markoviano, la información fluye en una sola dirección, desde el sistema hacia su entorno. Si el entorno devuelve información al sistema en algún momento posterior, se observan efectos de memoria. En la física cuántica abierta, donde los sistemas interactúan con su entorno, identificar estos efectos es crucial para comprender cómo se desarrolla la información.
La divisibilidad como indicador de memoria
Los físicos suelen estudiar estos fenómenos a través de mapas dinámicos que describen la evolución temporal del sistema. El estudio analiza una propiedad llamada divisibilidad, que permite descomponer la evolución de un sistema en pasos intermedios. Como mencionan los autores, “la divisibilidad de mapas dinámicos es una noción central en el estudio de la no-markovianidad cuántica”.
Cuando la evolución de un sistema deja de ser divisible, se interpreta como una señal de memoria, indicando que la información ha podido regresar desde el entorno hacia el sistema, afectando su comportamiento.
Enfoques alternativos: Schrödinger versus Heisenberg
La mecánica cuántica ofrece dos marcos matemáticos principales para describir la evolución de un sistema: el formalismo de Schrödinger y el formalismo de Heisenberg. Ambos enfoques son equivalentes en términos de predicciones experimentales, pero se concentran en diferentes aspectos.
En el marco de Schrödinger, se describe cómo cambian los estados cuánticos con el tiempo. Este enfoque ha sido el más utilizado para analizar procesos cuánticos abiertos. En contraste, el formalismo de Heisenberg mantiene el estado fijo y describe cómo evolucionan los observables, que son las magnitudes físicas medibles en un experimento, como la posición o el espín.
La investigación sobre memoria cuántica se ha centrado predominantemente en el primer enfoque, pero el nuevo estudio investiga qué sucede al trasladar el análisis al segundo marco.
Hallazgos clave del estudio
Los investigadores compararon cómo se comporta la divisibilidad en ambos marcos teóricos y encontraron que, aunque ambas descripciones son equivalentes para predecir resultados experimentales, la propiedad matemática que detecta la memoria se comporta de manera diferente en cada caso.
Los autores demostraron que “la divisibilidad en el formalismo de Schrödinger y la divisibilidad en el de Heisenberg no son conceptos equivalentes”. Esto implica que una misma evolución cuántica puede parecer libre de memoria al analizar cómo cambian los estados del sistema, pero podría revelar efectos de memoria si se estudia la evolución de los observables, y viceversa.
Esto sugiere que la memoria cuántica no es una propiedad única del proceso físico, sino que depende del tipo de descripción teórica utilizada para su análisis.
Identificación de la memoria oculta
Para evidenciar esta diferencia, los autores desarrollaron nuevas herramientas matemáticas que permiten cuantificar la violación de la divisibilidad en el formalismo de Heisenberg. Este enfoque compara la capacidad de distinguir entre dos posibles mediciones cuánticas.
En los análisis tradicionales, se mide la facilidad para distinguir entre dos estados cuánticos. Si la capacidad de distinguir aumenta en algún momento de la evolución, indica que la información ha regresado al sistema desde el entorno.
El nuevo enfoque propone un escenario dual: en lugar de distinguir estados, se intenta distinguir las mediciones posibles. Si la probabilidad de identificar correctamente qué medición se lleva a cabo aumenta con el tiempo, ello indica que la dinámica presenta memoria en el formalismo de Heisenberg.
Implicaciones para la física cuántica y la tecnología
Este hallazgo tiene importantes implicaciones para la investigación en sistemas cuánticos abiertos, ya que la noción de memoria cuántica es esencial para entender cómo el entorno afecta a un sistema. Esto es crítico para fenómenos como la decoherencia y el ruido en dispositivos cuánticos.
Si la memoria depende del marco de análisis utilizado, algunos procesos que antes se consideraban completamente markovianos podrían contener efectos de memoria previamente no detectados. Esto es particularmente relevante para tecnologías emergentes como la computación cuántica, la comunicación cuántica y los sensores cuánticos, donde el control del entorno es vital.
El estudio también sugiere que las herramientas utilizadas para investigar la no-markovianidad pueden requerir ampliación, ya que analizar únicamente la evolución de los estados podría no ser suficiente para captar toda la dinámica de un sistema cuántico.
En última instancia, este estudio revela que incluso conceptos que se creían bien establecidos pueden adquirir nuevos matices cuando se examinan desde diferentes perspectivas en la teoría cuántica.
Para más información sobre la investigación, consulte el artículo titulado “Divisibility of Dynamical Maps: Schrödinger Versus Heisenberg Picture” publicado en PRX Quantum.
