La física cuántica ya se siente como un rompecabezas, pero ahora los científicos lo han hecho más literal. Un equipo de matemáticos de la Universidad de Colorado Boulder ha diseñado un cubo Quantum Rubik, con infinitos estados posibles y algunos movimientos nuevos y extraños disponibles para resolverlo.
El clásico (y clásico) Cubo de Rubik es lo que se conoce como un rompecabezas de permutación, que requiere que los jugadores realicen ciertas acciones para reorganizar una de una serie de permutaciones posibles en un estado ‘resuelto’.
En el caso del infame cubo, eso es alrededor 43 quintillones posibles Combinaciones de pequeños bloques de colores que se clasifican en seis, caras de color consistente a través de una serie de movimientos limitados.
Pero un cubo de rubik cuántico gira esa posibilidad de espacio para el infinito. Todo lo que se necesita es darle al solucionador una nueva acción cuántica: la capacidad de mover una pieza a una superposición cuántica donde se mueve y se mueve y no movido al mismo tiempo.
“Con las superposiciones, el número de estados únicos permitidos del rompecabezas es infinito, a diferencia de los acertijos de permutación comunes de las tiendas de juguetes”, los investigadores Escribe en su papel.
El equipo probó la idea en una versión simple de un rompecabezas de permutación: una cuadrícula bidimensional de 2 × 2 compuesta por azulejos azules y verdes. El estado resuelto debía colocar las dos baldosas verdes sobre las dos azules.
En su forma clásica, el rompecabezas solo tiene seis permutaciones posibles, incluido el estado resuelto. Cualquier estado se puede transformar en cualquier otro a través de una secuencia de intercambio de baldosas verticales y horizontales: el intercambio de tejas diagonales está prohibido, al igual que girar todo el rompecabezas.
Este rompecabezas básico puede tener un sabor cuántico llamando a los colores ‘partículas’ y señalar que debido a que cada teja es indistinguible del otro del mismo color, están en sentido enredado.
Aunque las ‘partículas’ tienen un toque cuántico, en la práctica el rompecabezas en sí todavía se reproduce utilizando movimientos clásicos. Una versión verdaderamente cuántica se abre cuando se permiten superposiciones entre dos partículas diferentes.
Se pusieron a trabajar tres tipos diferentes de jugadores simulados para resolver el rompecabezas de 2,000 scrambles aleatorios. El único movimiento de un solucionador clásico fue intercambiar dos fichas adyacentes. Un solucionador cuántico solo podría ingresar pares en superposiciones cuánticas. Y un solucionador combinado podría realizar cualquier acción cada vez.
Como era de esperar, el solucionador combinado realizó lo mejor, resolviendo el rompecabezas en un promedio de 4.77 movimientos. El solucionador cuántico fue el siguiente, con un promedio de 5.32 movimientos, mientras que el solucionador clásico llegó en el último lugar con 5.88 movimientos en promedio.
Sin embargo, eso no quiere decir que el reino de la física clásica no tenga sus ventajas. El solucionador clásico puede alcanzar la solución en menos de cinco movimientos más a menudo que el solucionador cuántico. Pero explota su promedio porque a menudo puede tomar el doble de mucho tiempo, donde el solucionador cuántico casi siempre termina en ocho movimientos o menos.
Esta llamada ventaja cuántica debería volverse más pronunciada con rompecabezas más complejos, dice el equipo.
Después de que un solucionador trabaja a través de las permutaciones utilizando sus movimientos permitidos, ya sea clásicos, cuánticos o ambos, la solución se verifica a través de un ‘árbitro’.
Si estás familiarizado con el viejo Cat de Schrödinger Experimento mental, recordarás que la medición en sí hace que la superposición se convierta al azar solo en uno de los estados. Idealmente, ese sería el estado resuelto, pero si no, el rompecabezas se revuelve nuevamente y el solucionador tiene que comenzar de nuevo.
Así es como el solucionador clásico puede incluso comenzar a abordar un rompecabezas cuántico. A menos que tengan mucha suerte y el estado revuelto es una de las seis posibilidades clásicas (fuera de las opciones cuánticas infinitas), tendrán que hacer movimientos que los lleven lo más cerca posible de la solución, y esperan que la medición colapse la superposición en el estado resuelto.
Aunque el solucionador cuántico parece tener la ventaja de la tierra natal, tiene un inconveniente: se necesitan dos movimientos para hacer una operación de intercambio clásica. Así es como el solucionador clásico tiene una ventaja temprana en algunas versiones del rompecabezas, pero por qué el solucionador combinado siempre tiene el liderazgo.
El equipo también creó una versión 3D del rompecabezas cuántico, aunque no es un cubo completo. Eran mosaicos 2x2x1, que también tenían infinitas posibilidades y podían resolverse a través de acciones similares.
En la práctica, los rompecabezas de permutación cuántica podrían construirse potencialmente utilizando conjuntos de átomos ultracoldos suspendidos en redes ópticas. Pero sobre todo, es un experimento mental para los nerds matemáticos.
La investigación ha sido aceptada para su publicación en la revista. Revisión física ay actualmente está disponible en el servidor de preimpresión arxiv.