PHYSICAL VIBRANT TIMELINE

Història de la mecànica quàntica

1913

1925

1900

El model de l'àtom d'hidrogen

La mecànica matricial

neix la teoria quàntica

Werner Heisenberg

Max Planck

Niels Bohr

1905

1924

Albert Einstein i l'efecte fotoelèctric

La dualitat ona-partícula

Louis de Broglie

Albert Einstein

PHYSICS TIMELINE

1926

1931

1960

El raig làser

L'equació d'ona

EL MICROSCOPI ELECTRòNIC

Theodore Maiman

Erwin Schrödinger

Ernst Ruska y Max Knoll

1935

1927

1935

EL GAT DE SCHRÖDINGER

Teoremes de Bell per John Bell

La interpretació de Copenhaguen

La paradoxa EPR

Albert Einstein, Boris Podolsky i Nathan Rosen

Erwin Schrödinger

Niels Bohr y Werner Heisenberg

John Bell

PHYSICS TIMELINE

1980

1993

2024

La computació quàntica

TELETRANSPORT QUÀNTIC

La mecànica quàntica actualment

Paul Benioff, Yuri Manin i Richard Feynman

Equip d'investigació

1983

2019

SUPREMÀCIA QUÀNTICA?

CRIPTOGRAFIA QUÀNTICA

Charles Bennett i Gilles Brassard

Google i China

Erwin Schrödinger va formular una altra de les primeres i més importants teories de la mecànica quàntica: l'equació d'ona de Schrödinger. Aquesta equació és una descripció matemàtica fonamental del comportament de sistemes quàntics, incloses partícules subatòmiques com electrons i àtoms. L'equació d'ona Schrödinger descriu com canvia en el temps la funció d'ona d'un sistema quàntic. La funció d'ona conté tota la informació sobre el sistema i es pot utilitzar per calcular les probabilitats de trobar una partícula en una determinada posició i moment. L'equació de Schrödinger és una equació diferencial parcial, cosa que significa que involucra derivades parcials pel que fa a la posició i el temps. La forma general de l'equació és: 𝑖ℏ∂𝜓/∂𝑡=𝐻𝜓, on 𝑖 és la unitat imaginària, ℏ és la constant reduïda de Planck, 𝜓 és la funció d'ona, 𝑡 és el temps i 𝐻 és l'operador Hamiltonià, que representa l'energia total del sistema. L'equació de Schrödinger és complementària a la formulació matricial de la mecànica quàntica desenvolupada per Werner Heisenberg, fet que va portar al desenvolupament de la mecànica quàntica moderna.

Bohr i Heisenberg defineixen la interpretació de Copenhaguen de la mecànica quàntica, que proposa que un sistema quàntic no té propietats definides, sinó només probabilitats, de manera que aquestes propietats només es concreten quan l'observador mesura el sistema i fa col·lapsar la funció d'ona. Els principals aspectes de la Interpretació de Copenhaguen inclouen: Principi de superposició: Segons la mecànica quàntica, abans que es faci un mesurament, un sistema quàntic pot existir en una superposició de múltiples estats possibles simultàniament. Per exemple, un electró pot estar en una superposició d'estar tant en un lloc com en un altre alhora. Col·lapse de la funció d'ona: Quan es realitza un mesurament en un sistema quàntic, la seva funció d'ona col·lapsa instantàniament a un dels estats possibles, i el sistema es troba en aquest estat particular després del mesurament.

Werner Heisenberg, juntament amb Max Borni Pascual Jordan, va formular la mecànica matricial. Aquest enfocament matemàtic, juntament amb la formulació independent de la mecànica ondulatòria per part d'Erwin Schrödinger el mateix any, va marcar el començament de la teoria quàntica moderna. La mecànica matricial de Heisenberg es basa en la representació matricial de les observables físiques, com ara la posició i el moment d'una partícula. En lloc de descriure el moviment d'una partícula en termes de trajectòries clàssiques definides, com la física newtoniana, la mecànica matricial es basa en relacions matemàtiques entre matrius que representen les observables. El principi d'incertesa de Heisenberg, una de les contribucions més importants de la mecànica quàntica, va sorgir també d'aquesta formulació. Aquest principi estableix que és impossible conèixer amb precisió simultàniament la posició i el moment duna partícula amb una precisió infinita. En altres paraules, com més es coneix sobre la posició d'una partícula, menys es pot conèixer sobre el moment i viceversa.

La hipòtesi de De Broglie, segons la qual la matèria també es comporta com una ona, permet crear un microscopi utilitzant electrons en lloc de fotons. Ernst Ruska, juntament amb el seu col·lega Max Knoll, van desenvolupar el primer prototip funcional del microscopi electrònic. Aquest dispositiu va permetre observar objectes a una escala molt menor que la possible amb els microscopis òptics tradicionals. El microscopi electrònic utilitza feixos delectrons en lloc de llum visible per formar imatges dalta resolució de mostres. La longitud d'ona més curta dels electrons en comparació amb la llum visible permet una resolució molt més gran, cosa que permet als científics observar estructures a nivell molecular i atòmic. Amb el microscopi electrònic, els científics van poder visualitzar estructures que abans eren invisibles, fet que va conduir a importants descobriments sobre l'estructura i la funció de la matèria a escales microscòpiques. El treball pioner de Ruska i Knoll va facilitar el desenvolupament del microscopi electrònic de transmissió (TEM) i el microscopi electrònic d'escombrada (SEM).

Theodore Maiman va construir el primer làser funcional als laboratoris Hughes Research a Califòrnia, Estats Units. Un làser és un dispositiu que amplifica la llum mitjançant lʻemissió estimulada de radiació. La paraula “làser” és un acrònim que significa “amplificació de la llum mitjançant emissió estimulada de radiació” en anglès. La idea bàsica darrere del làser va ser proposada per primera vegada per Albert Einstein el 1917, quan va descriure el concepte de l'emissió estimulada de radiació. No obstant això, no va ser fins al 1960 que Maiman va construir el primer làser funcional. El làser construït per Maiman utilitzava un vidre de robí com a mitjà actiu i un flaix de llum per excitar els àtoms de robí, generant així una emissió de llum coherent i monocromàtica. La llum làser emesa per aquest dispositiu tenia propietats úniques, com ara la coherència espacial i temporal, la monocromacitat i la capacitat d'enfocar-se en un punt molt petit. Aquest descobriment va ser molt significatiu en la tecnologia de la llum i l'òptica, i va establir les bases per al desenvolupament de nombrosos tipus de làser amb diverses longituds d'ona i aplicacions.

Després de la confirmació l'any anterior per Arthur Compton que els raigs X es comporten com a partícules, Louis de Broglie va proposar la hipòtesi de la dualitat ona-partícula. A la seva tesi doctoral, de Broglie va postular que les partícules, com els electrons, podrien exhibir tant propietats d'ona com de partícula. Aquesta idea era radical perquè fins aquell moment es pensava que les partícules i les ones eren dues entitats completament diferents i separades a la física. Tot i això, de Broglie va suggerir que totes les partícules, no només la llum, podrien tenir una naturalesa ondulatòria associada amb elles. D'acord amb la hipòtesi de Broglie, la longitud d'ona associada amb una partícula està donada per la relació: 𝜆=ℎ/𝑝, on λ és la longitud d'ona, ℎ és la constant de Planck i 𝑝 és el moment lineal de la partícula. Aquesta relació suggereix que les partícules amb una massa no nul·la, com els electrons, també poden exhibir comportaments ondulatoris. Va ser una proposta molt criticada, però demostrada tres anys després per Clinton Davisson i Lester Germer.

Einstein, Podolsky i Rosen van publicar un article que presentava un argument conegut com el "paradoxa EPR", qüestionant la idea de que la mecànica quàntica és una teoria completa i que els sistemes quàntics no locals tenen una descripció física completa i precisa. Proposen un sistema format per dues partícules que interaccionen fins a cert moment i partir de llavors, el mesurament d'una de les partícules també hauria d'afectar l'altra. Atès que no és concebible una misteriosa acció a distància, la mecànica quàntica deu estar incompleta. Aquesta premissa va crear conflicte amb el principi d'incertesa de Heisenberg, que estableix que certs parells de quantitats físiques, com ara la posició i el moment, no es poden conèixer simultàniament amb precisió arbitrària. Ells van argumentar que el conflicte es podria resoldre si la mecànica quàntica fos incompleta, és a dir, si hi hagués variables ocultes subjacents que determinen el resultat dels mesuraments quàntics. Argumentaren que aquestes variables ocultes podrien permetre una descripció completa i determinista dels sistemes quàntics, eliminant així la necessitat duna interpretació probabilística de la mecànica quàntica.

El 1900, Max Planck va fer una contribució revolucionària a la física en presentar la seva teoria quàntica davant la Societat Física Alemanya per explicar el fenomen de la radiació del cos negre. Planck va desenvolupar aquesta teoria mentre investigava com un objecte calent emet radiació electromagnètica. Els físics de l'època estaven desconcertats perquè la teoria clàssica predia que un objecte calent hauria d'emetre una quantitat infinita d'energia en forma de radiació electromagnètica d'alta freqüència, cosa que no concordava amb les observacions experimentals. Planck va proposar que l'energia s'emet en forma de paquets discrets d'energia, que va anomenar "quants". Aquesta idea significava que l'energia no s'emetia de manera contínua, com es pensava anteriorment, sinó en increments discrets, cosa que posteriorment esdevindria un dels principis fonamentals de la física quàntica. Planck va formular una funció matemàtica (Llei de Planck) que descrivia la distribució de l'energia emesa per un cos calent en funció de la temperatura i la freqüència. També va formular la constant de Planck, representada amb la lletra "h".

Niels Bohr va contribuit el desenvolupament del model de l'àtom d'hidrogen, que incorporava conceptes quàntics per explicar els espectres d'emissió i d'absorció dels àtoms. El model de Bohr es va basar en dues idees principals:

1. Òrbites quantitzades: Bohr va postular que els electrons en un àtom només poden ocupar certes òrbites estables i quantitzades al voltant del nucli. Aquesta idea va introduir per primer cop la quantització en la teoria atòmica i va proporcionar una explicació per als espectres d'emissió observats als àtoms.
2. Emissió i absorció de radiació: Bohr va proposar que els electrons en un àtom poden canviar dòrbita emetent o absorbint fotons de llum amb energies específiques. Quan un electró passa d'un nivell d'energia més alt a un de més baix, emet un fotó de llum amb una energia corresponent a la diferència d'energia entre els dos nivells. De la mateixa manera, quan un electró absorbeix un fotó de llum, podeu saltar a un nivell d'energia superior.

Dos anys després Arnold Sommerfeld generalitza el model amb òrbites el·líptiques.

Albert Einstein va publicar una sèrie d'articles, coneguts com els "treballs d'Annus Mirabilis", que van abordar diversos problemes fonamentals en la física. Un dels treballs més destacats d'Einstein el 1905 va ser la seva explicació de l'efecte fotoelèctric, aplicant la teoria de Planck. Aquest fenomen, observat per primera vegada per Heinrich Hertz el 1887, consistia en l'emissió d'electrons per un material quan era exposat a la llum. Segons la teoria clàssica de la física, s'esperava que l'energia dels electrons emesos augmentés amb la intensitat de la llum incident, però això no s'observava a la pràctica. Einstein va proposar que la llum no es comporta estrictament com una ona contínua, com es creia en aquell moment, sinó que també té característiques de partícules discretes. Va postular que la llum estava composta de partícules quantitzades d'energia, a les quals va anomenar fotons. Segons aquesta nova interpretació, l'energia d'un fotó estava relacionada amb la freqüència, no amb la intensitat.

Principi de complementarietat: estableix que els aspectes ondulatori i corpuscular d'una partícula són complementaris i no es poden observar simultàniament. Per tant, depenent del tipus dexperiment realitzat, la naturalesa ondulatòria o corpuscular duna partícula pot manifestar-se, però mai tots dos alhora. Rebuig de la realitat objectiva: a nivell quàntic, la realitat no té una existència objectiva independent de l'observació. En comptes d'això, la realitat es construeix mitjançant les interaccions entre l'observador i el sistema quàntic. Això implica que l'observació mateixa és un component essencial en la definició del que és “real”. El paper de l‟observador: l‟acte del mesurament és crucial per determinar l‟estat d‟un sistema quàntic. L'observador i el seu equip de mesura estan intrínsecament vinculats al procés i afecten el resultat del mesurament.

Durant les seves discussions amb Einstein sobre la paradoxa EPR, Schrödinger concep una metàfora com a crítica de la interpretació de Copenhaguen: un gat en una caixa morirà per un verí l'alliberament del qual depèn d'un esdeveniment atòmic probabilístic. Així, en cert moment el gat és viu i mort alhora, cosa que només es concreta en obrir la caixa.En aquest experiment hipotètic, Schrödinger va imaginar un gat tancat en una caixa opaca juntament amb un dispositiu que contenia una partícula radioactiva, un comptador Geiger i un flascó de verí. Si el comptador Geiger detecta la desintegració de la partícula radioactiva, activa el flascó de verí, matant el gat. Segons la teoria quàntica, abans d'obrir la caixa per observar l'estat del gat, el gat es troba en una superposició d'estar viu i mort alhora, a causa de la superposició dels estats quàntics de la partícula radioactiva.

Els teoremes de Bell se centren en la idea de la no localitat a la mecànica quàntica i aborden el concepte de "variables ocultes", una hipotètica teoria que intentaria explicar els resultats dels experiments quàntics sense recórrer a la idea de la no localitat. Bell va demostrar que si les variables ocultes locals existissin i si la mecànica quàntica estigués correctament descrita per elles, llavors certes desigualtats, conegudes com a desigualtats de Bell, haurien de ser satisfetes pels resultats dels experiments. No obstant això, el 1964, John Bell va demostrar matemàticament que aquestes desigualtats no es compleixen al món quàntic. Això implica que la mecànica quàntica no pot ser explicada per cap teoria local que inclogui variables ocultes. En altres paraules, els resultats dels experiments quàntics mostren que la naturalesa subjacent de l'univers no pot ésser explicada per una teoria que respecti la localitat i les variables ocultes simultàniament. Des del 1972, infinitat d'experiments han demostrat que l'entrellaçament quàntic sembla funcionar segons la “misteriosa acció a distància” en què Einstein no creia.

Paul Benioff va realitzar un treball clau en formular una versió quàntica de la màquina de Turing, un model matemàtic de computació que representa com un ordinador realitza operacions sobre dades. La màquina de Turing quàntica de Benioff es basava en els principis de la mecànica quàntica, que permeten que les partícules subatòmiques existeixin en múltiples estats simultàniament, cosa que es coneix com a superposició quàntica. Això va suggerir la possibilitat de fer càlculs de manera més eficient que els computadors clàssics.Simultàniament, Yuri Manin i Richard Feynman també van contribuir al desenvolupament de la computació quàntica. Feynman va proposar la idea de fer servir sistemes quàntics per simular i resoldre problemes quàntics, que són extremadament difícils d'abordar amb els computadors clàssics. Aquests desenvolupaments teòrics van establir les bases per a la computació quàntica, que se centra en la noció de bits quàntics o "qubits", que poden existir en superposicions de 0 i 1 alhora, cosa que permet realitzar múltiples càlculs simultàniament. Les primeres demostracions experimentals d'algorismes quàntics no arribarien fins al 1998.

Stephen Wiesner va realitzar el primer estudi teòric sobre criptografia quàntica amb el seu article “Conjugate Coding”. En aquest treball, Wiesner va introduir idees com els diners quàntics i els bitllets de banc quàntics, a més d'explorar la possibilitat d'utilitzar la mecànica quàntica per crear protocols de comunicació segurs.Posteriorment, Charles H. Bennett i Gilles Brassard van proposar el concepte de criptografia quàntica en un article seminal titulat "Quantum Cryptography: Public Key Distribution and Coin Tossing". La idea central de la criptografia quàntica és aprofitar les propietats quàntiques de les partícules, com ara els fotons, per crear un sistema de comunicació segur. Un dels protocols més coneguts en criptografia quàntica és el protocol BB84, desenvolupat per Bennett i Brassard al seu article de 1984. El protocol BB84 utilitza la polarització de fotons per transmetre informació de manera segura entre un remitent (Alice) i un destinatari (Bob).

El 1993, es va aconseguir la primera demostració de teletransport quàntic. El teletransport quàntic és un fenomen fascinant en què l‟estat quàntic d‟una partícula es transfereix d‟una ubicació a una altra, sense que la partícula física real es mogui entre elles. Això s'aconsegueix aprofitant el fenomen de l'entrellaçament quàntic i la informació quàntica. Tot i que el terme teletransport evoca imatges de ciència ficció, en realitat es tracta de la transferència de la informació quàntica d'un lloc a un altre de manera instantània.A l'experiment del 1993, els investigadors van aconseguir teletransportar l'estat quàntic d'un fotó a un altre fotó distant, separat per una distància considerable. El procés va implicar tres fotons entrellaçats i un canal de comunicació clàssica. Aquest experiment va demostrar la possibilitat de transferir informació quàntica de manera segura i eficient, cosa que té aplicacions potencials en àrees com la comunicació quàntica i la computació quà

El 2024, la mecànica quàntica continua sent una àrea activa de recerca i desenvolupament en la física i la computació. Tot i que segueix sent una teoria fonamentalment sòlida i ben establerta, encara hi ha moltes preguntes per respondre i desafiaments per superar en diversos aspectes. Aquí hi ha alguns aspectes clau de com s'està portant la mecànica quàntica actualment: Investigació fonamental: Es continuen fent investigacions fonamentals en mecànica quàntica per entendre millor els fenòmens quàntics i les seves implicacions en el món físic. Computació quàntica: S'estan desenvolupant i millorant contínuament noves tecnologies i algorismes quàntics amb l'objectiu de construir ordinadors quàntics més potents i escalables. Criptografia quàntica: S'estan fent investigacions per desenvolupar i millorar sistemes de comunicació quàntica segurs que puguin protegir la informació sensible de manera eficaç contra atacs quàntics. Aplicacions tecnològiques: Això inclou sensors quàntics d'alta precisió, simulació quàntica per al disseny de nous materials i fàrmacs i tecnologies quàntiques per millorar la detecció i la imatge mèdica, entre d'altres.

El 2019, es van produir importants avenços en la demostració de la supremacia quàntica. Aquest concepte fa referència a la capacitat d'un ordinador quàntic per resoldre un problema específic de manera significativament més ràpida que qualsevol superordinador convencional existent. A l'octubre de 2019, Google va anunciar que el seu ordinador quàntica Sycamore havia aconseguit la supremacia quàntica en fer un càlcul en aproximadament 200 segons que, segons van afirmar, portaria als superordinadors clàssics més avançats del món aproximadament 10,000 anys a completar. Aquest anunci va ser qüestionat per IBM, que va plantejar objeccions sobre la precisió i rellevància del problema específic que Google havia seleccionat per demostrar la supremacia quàntica. IBM va argumentar que els mètodes clàssics de simulació podrien ser més eficients per resoldre el problema proposat del que Google havia suggerit. Posteriorment, el desembre del 2020, la Xina va anunciar que el seu ordinador quàntica Jiuzhang havia aconseguit un important avenç en resoldre un problema en només 20 segons que, segons van afirmar, portaria aproximadament 600 milions d'anys a un superordinador clàssic convencional per completar.