Saltos cuánticos - Universidad Nacional de Colombia

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
http://www.aip.org/
Niels H. D. Bohr
Copenhague 1885- Copenhague 1962
Niels Bohr
Premio Nobel en Física 1922
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
Kelvin & Helmholtz : Éter como fluido ideal + átomos como vórtices en él.
Modelo mecánico ≈ Cuerda & nudos
www.glogster.com
Faraday & Maxwell : Éter como substrato electromagnético
Joseph John Thomson
Manchester1856- Cambridge 1940
Premio Nobel de Física 1906
Modelo de J.J.Thomson
Cambridge University, 1903-04
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/
Modelo de J.J.Thomson
Cambridge University, 1903-04
Experimento de
H.Geiger & E.Marsden
1909-10
Credit: Encyclopædia Britannica, Inc.
Ernest Rutherford
Nelson (New Zealand) 1871- Cambridge 1937
Premio Nobel de Química 1908
ketzal.wordpress.com
http://www.chem1.com/acad/webtext/atoms
/atpt-3.html
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/
Niels Bohr
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)
1913…
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)
www.theworldsgreatbooks.com
Espectros atómicos y saltos cuánticos
Espectros atómicos y saltos cuánticos
www.mabra.it
Espectros atómicos y saltos cuánticos
The Balmer series of hydrogen as seen by a lowresolution spectrometer.
Credit: Arthur L. Schawlow, Stanford University, and
Theodore W. Hansch, Max Planck Institute for Quantum
Optics
www.cielodeguadaira.org
Espectros atómicos y saltos cuánticos
teachers.bcps.org
www.mabra.it
Bohr vs. Einstein
Einstein contra la complementariedad!
Einstein, Podolski & Rosen, Phys.Rev. 47, 777 (1935)
“La mecánica cuántica es una teoría incompleta:
no incluye todos los elementos de realidad”
Enredamiento! (Entanglement)
No-localidad!
Niels Bohr
"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“.
“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
Recursos experimentales…
• Control espacial en nanómetros…
NANOTECNOLOGÍA
•Control temporal en femtosegundos…
ESPECTROSCOPÍA ULTRA-RÁPIDA
•Control a nivel de fotones individuales…
ÓPTICA CUÁNTICA
Luz & Materia … a nivel cuántico
En 1952, Erwin Schrödinger pensaba que la
manipulación de objetos microscópicos únicos era algo
imposible
or photon
“We never experiment with one electron,
or atom or molecule. In thoughtexperiments, we sometimes assume that we
do. This invariably entails ridiculous
consequences...”
British Journal of the Philosophy of Science (1952)
Observación y manipulación de objetos cuánticos
individuales:
26
▬►Segunda revolución cuántica
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…
Baja energía
Alta 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
Diamante:
-bandgap 6 eV
-Tdebay: 2000K
Largo T2 de defectos a TA
1A
3 GHz
ΔE=1.945eV
3E
Optical detection of single defects,
Gruber A, Wrachtrup J et al, SCIENCE 276, 2012 (1997)
Control cuántico de NVs en diamante
… a temperatura ambiente…
Oscilaciones de Rabi
D.D.Awschalom et al., Science 339, 1174 (2013)
Enredamiento de NVs en diamante
Physics 4, 78 (2011) DOI: 10.1103/Physics.4.78
Driving a Hard Bargain with Diamond Qubits
APS/S. Benjamin and J. Smith
Enredamiento
No-localidad de la física cuántica
“El enredamiento es la esencia del quantum”
E.Schrödinger, 1935
Nature, in press
Saltos cuánticos en centros NV en diamante
… a temperatura ambiente…
M.D.Lukin et al., Nature 467, 278 (2010)
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…
Control cuántico
Tecnologías cuánticas
· Tecnología de la información cuántica
· Sistemas cuánticos electromecánicos
· Electrónica cuántica coherente - Spintronics
· Fotónica – Óptica cuántica
· Materia cuántica coherente
· Biología cuántica?...
FIN