La Dinámica Cuántica de Zenón en un Qubit Superconductor

Por: William Brown, Biofísico e Investigador de Resonance Science Foundation

El filósofo griego Zenón de Elea planteó varios argumentos filosóficos que se han conocido colectivamente como las paradojas de Zenón. Uno de estos argumentos se conoce como la paradoja de la flecha de Zenón, cuya explicación simplista es que para que se produzca el movimiento, un objeto debe cambiar su ubicación, como una flecha que vuela hacia su objetivo, pero en cualquier momento instantáneo la flecha está inmóvil, y puesto que, como planteó Zenón, el tiempo se compone de una secuencia de muchos instantes sin duración, entonces el movimiento de la flecha es imposible. En realidad, esta paradoja es muy importante para comprender la naturaleza fundamental del movimiento y del tiempo y, por tanto, los fundamentos de la física (fundamentals of physics).

Imagen: si el tiempo puede dividirse continuamente en infinitos intervalos, ¿cómo puede moverse algo?

La paradoja de Zenón se ha introducido en el léxico de la mecánica cuántica en una clase de fenómenos conocidos como la dinámica cuántica de Zenón. Como su nombre indica, los efectos cuánticos de Zenón tienen que ver con la evolución temporal de un sistema, a menudo con efectos que son paradójicamente contrarios a lo que se observa normalmente en la experimentación cuántica.

Por ejemplo, las mediciones frecuentes de un sistema cuántico pueden, de hecho, detener su evolución, retrasando su decadencia, llegando incluso a desacoplar un sistema de su entorno de descohesión. Esto es lo contrario de lo que las "mediciones" o las interacciones con el entorno suelen hacer en la teoría de la mecánica cuántica.

Dinámica cuántica de Zenón

En la dinámica cuántica de Zenón, la tasa de decoherencia de un estado cuántico puede aumentar o disminuir según la forma en que el sistema esté acoplado al entorno. Cuando la evolución temporal o la decadencia de un estado cuántico se congela, se denomina efecto Zenón. El aumento de la tasa de decaimiento se conoce como efecto antiZenón, porque en lugar de "congelar" el estado del sistema cuántico en el tiempo, acelera su evolución temporal. Las mediciones frecuentes alterarán la forma en que un estado cuántico, como un qubit, interactuará con el entorno, permitiendo esencialmente controlar la evolución cuántica con interacciones ambientales sintonizables.

En el número del 14 de junio de 2017 del Physical Review Letters, los físicos describen la observación de cuasi-mediciones que producen efectos cuánticos de Zenón. Su protocolo utilizó un qubit acoplado de forma única a un baño térmico para producir tanto tiempos de decaimiento mejorados como disminuidos. Los investigadores pudieron demostrar que cambiando la frecuencia y el tipo de interacción del qubit con una fuente de ruido podían detener la evolución del sistema, de manera que el qubit no se decohesionaba o decaía, o podían acelerar el decaimiento.

El último experimento fue una primicia porque "mientras que los efectos Zenón, y más ampliamente la dinámica de Zenón, se han estudiado con qubits superconductores (superconducting qubits), el efecto anti-Zenón no se ha estudiado aún a nivel de un sistema cuántico único".

¿Tiene el efecto Zenón relevancia más allá de la computación cuántica?

Además de las posibles implicaciones y aplicaciones en la computación cuántica, los investigadores de Resonance Science Foundation se fijan en los resultados por sus posibles implicaciones en la comprensión del estado finamente ordenado y coherente del sistema biológico. Al igual que las mediciones cuánticas se utilizan para estabilizar el frágil estado del qubit artificial, es posible que existan mecanismos similares para estabilizar los estados cuánticos, los qubits naturales, en el sistema biológico.

Por ejemplo, el efecto cuántico de Zenón  puede tenerse en cuenta a la hora de evaluar cómo pueden producirse las teorías que implican una dinámica de procesamiento de información no clásica en un entorno de fuerte interacción como la célula. El procesamiento de la información que puede implicar correlación cuántica (entrelazamiento) o interacción no local se ha descartado en gran medida debido a la supuesta gran cantidad de ruido del sistema biológico.

Sin embargo, tal presunción puede ser problemática o en gran medida errónea, ya que las estructuras moleculares del sistema biológico están en una disposición altamente ordenada y se componen de nuevas formas de materia que han sido exquisitamente afinadas por la selección natural durante miles de millones de años. No es de extrañar que las nuevas formas moleculares que aprovechan de forma óptima las propiedades intrínsecas de la naturaleza, como la dinámica informativa cuántica, tengan una ventaja selectiva inmediata: una eficiencia altamente mejorada de la fotosíntesis (improved efficiency of photosynthesis) y metabolismo (metabolism), mayor sensibilidad ambiental (environmental sensitivity), memoria, capacidad de respuesta y quizás mayores capacidades cognitivas (greater cognitive capabilities).

Como tales, las biomoléculas pueden no ser comparables a la "materia simple" -a menudo, cuantos individuales como fotones y electrones libres- utilizada en la experimentación donde se observan fenómenos cuánticos no clásicos. Los conjuntos supramoleculares biológicos de la célula son un estado especial de la materia. Y el gran número de unidades que interactúan (large numbers of interacting units) y su frecuente interacción pueden, de hecho, permitir un cierto grado de aumento de la "quantumness" (condición de ser cuántico en la naturaleza) en lugar de ser la principal fuente de decoherencia, como se supone ingenuamente.

Por ejemplo, hay desarrollos relativamente nuevos en la mecánica cuántica como la discordancia cuántica, donde la "quantumness" de las correlaciones puede ser variable y estar presente en ciertos estados mixtos separables, es decir, correlaciones cuánticas que existen pero que no son necesariamente entrelazamiento. En cuanto a la temperatura relativamente alta del sistema biológico, una condición que se supone que inhibe la coherencia fuerte, se ha demostrado que para un par de qubits en contacto con un entorno normalmente decoherente, como un baño de calor, la fuerza de las correlaciones puede en realidad aumentar con el incremento de la temperatura.

Esto nos lleva al efecto cuántico de Zenón en el que las mediciones realizadas en rápida sucesión pueden prolongar la coherencia cuántica de un estado. Se trata de una situación bastante paradójica, ya que se supone que las mediciones son los agentes de la decoherencia y la decadencia de los estados cuánticos, y sin embargo aquí una mayor interacción puede hacer lo contrario. Esto nos lleva a preguntarnos si la frecuente interactividad/comunicación de los componentes de los conjuntos supramoleculares del sistema biológico puede funcionar para prolongar y mejorar la vida útil de los estados fuertemente acoplados y coherentes.

Entre los conjuntos supramoleculares relevantes se encuentran la membrana plasmática, las mitocondrias, el ADN y los microtúbulos. Las mitocondrias y los microtúbulos son importantes porque pueden funcionar teóricamente como cavidades electrodinámicas cuánticas, donde las interacciones entre la luz, el agua atómicamente ordenada y los momentos dipolares de los electrones pueden formar estados coherentes cuánticos para la transferencia de energía solitónica sin disipación intra e intercelular y la teleportación cuántica.

Las mitocondrias y los microtúbulos, en estrecha asociación, forman redes dendríticas en las que se puede canalizar la emisión coherente de fotones a través de la célula (coherent photon emission can be channeled through the cell). Los fotones coherentes modulan las propiedades electrónicas de las biomoléculas, un mecanismo de tipo QED que puede utilizarse para almacenar información de forma holográfica, así como para iniciar respuestas fisicoquímicas en el sistema celular. Este sistema se denomina red de información holográfica de la matriz reticular mitocondrial.

Las redes intercelulares están formadas por uniones en hendidura y nanotubos en efecto túnel (tunneling nanotubes), estos últimos contienen mitocondrias filamentosas y microtúbulos que pueden conectar múltiples células, permitiendo la transmisión y el procesamiento de información gestáltica. La coherencia cuántica y los fenómenos no locales pueden permitir que el sistema de información celular realice un procesamiento masivamente paralelo, permitiendo una notable sinergia organizativa y una orquestación unificada de la función.

El efecto Zenón, biología cuántica y geometría del espaciotiempo: una imagen unificada

Como se explica en el manuscrito Unified Spacememory Network de Nassim Haramein et alia, la no-localidad es un resultado de la geometría del espaciotiempo, de tal manera que el entrelazamiento es la manifestación de una arquitectura del espaciotiempo multiconectada, es decir, una red de microagujeros de gusano Planckianos, o una espuma cuántica del espaciotiempo. Esta geometría multiconectada representa una especie de hiperespacio, compuesto por la información resultante de la comunicatividad casi instantánea de todos los marcos espaciotemporales a través de los dominios espaciales y temporales. La interacción a través de esta red de conectividad transtemporal y no local es una de las formas en las que se produce la memoria, registrada en los patrones de conectividad del entrelazamiento. De ahí el nombre de red de espaciomemoria.

Esto tiene importantes implicaciones para las consideraciones del entrelazamiento y otros procesos cuánticos de no localidad en el sistema biológico. En concreto, el entrelazamiento resulta necesariamente de la geometría espaciotemporal subyacente, por lo que cualquier proceso de este tipo entrelaza funciones del sistema biológico con el colector de información de la red de espaciomemoria. Una dinámica posiblemente importante que, teóricamente, estaría intricada e inextricablemente implicada en los procesos de evolución, desarrollo, sintiencia y memoria del sistema vivo.

Los experimentos que hacen avanzar nuestra comprensión del entrelazamiento cuántico y otros fenómenos que implican la no localidad, como la prueba de la dinámica cuántica de Zenón con la estabilidad de los qubits, son importantes para desarrollar una comprensión más profunda de cómo la naturaleza puede estar utilizando la dinámica cuántica (nature may be utilizing quantum dynamics), especialmente en el sistema biológico. Aunque las consideraciones teóricas sobre la coherencia cuántica, el entrelazamiento y otros fenómenos no locales en el organismo vivo siguen siendo relativamente controvertidas, la verdadera prueba de estas ideas será la realización de experimentos destinados a observar precisamente estos fenómenos. Los investigadores de Resonance Science Foundation están diseñando protocolos experimentales para hacer exactamente eso, de modo que pronto podrán comprobar experimentalmente si el entrelazamiento y el intercambio de información con la red de espaciomemoria no local están de hecho respaldados observacional y empíricamente. 

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