En mecánica cuántica (y computación ), un valor débil es una magnitud relacionada con el desplazamiento del puntero de un dispositivo de medición, generalmente con preselección y postselección . No debe confundirse con una medición débil , que a menudo se define conjuntamente. El valor débil fue definido por primera vez por Yakir Aharonov , David Albert y Lev Vaidman en 1988, en un artículo publicado en Physical Review Letters [ 1 ] , y está relacionado con el formalismo vectorial de dos estados . La primera realización experimental provino de investigadores de la Universidad Rice en 1991 [ 2 ]. La interpretación física y el significado de los valores débiles siguen siendo objeto de debate en la literatura sobre fundamentos cuánticos y metrología.
Definición
El valor débil del observablese define como: [ 3 ] : 308 dóndees el estado inicial o de preselección yes el estado final o de postselección . El valor débil de orden n,se define utilizando la enésima potencia del operador en esta expresión.
Los valores débiles surgen en pequeñas perturbaciones de las mediciones cuánticas. Representando una pequeña perturbación con el operador, la probabilidad de detectar un sistema en un estado final dado el estado inicial es Para pequeñas perturbaciones,es pequeño y la exponencial se puede expandir en una serie de Taylor. El primer término es la probabilidad de detección sin perturbaciones,y la corrección de primer orden involucra el valor débil de primer orden: [ 3 ] : 309 En general, la cantidad de valor débil es un número complejo . En el régimen de interacción débil , la razónestá cerca de uno yes significativamente mayor que los términos de orden superior. [ 3 ] : 309
Por ejemplo, se pueden disponer dos analizadores Stern-Gerlach a lo largo del eje y, con el campo del primero a lo largo del eje z ajustado a un campo magnético bajo y el segundo a lo largo del eje x con un campo suficiente para separar los haces de partículas de espín 1/2. El estado inicial que entra en el segundo analizador es y el estado final será La acción perturbadora del primer analizador se describe con el operador del eje z de Pauli comodando el valor débil [ 4 ]
Parte real
La parte real del valor débil proporciona una forma cuantitativa de analizar aspectos no clásicos de los sistemas cuánticos. [ 3 ] Cuando la parte real de un valor débil se encuentra fuera del rango de los autovalores del operador, se denomina "valor débil anómalo". Además de ser importantes en los análisis de las paradojas cuánticas, los valores débiles anómalos constituyen la base de las aplicaciones de los sensores cuánticos . [ 5 ]
Derivación
La derivación que se presenta a continuación sigue la presentación dada en las referencias. [ 4 ] [ 5 ]
Aplicaciones
Se ha propuesto el uso de valores débiles como una herramienta potencialmente útil para la metrología cuántica y para esclarecer aspectos de los fundamentos cuánticos. Las secciones siguientes describen brevemente estas aplicaciones.
Metrología cuántica
Al final del artículo original sobre valores débiles [ 1 ], los autores sugirieron que los valores débiles podrían usarse en metrología cuántica :
Otro aspecto llamativo de este experimento se hace evidente cuando lo consideramos como un dispositivo para medir un pequeño gradiente del campo magnético... produce una amplificación tremenda.
En el lenguaje moderno, cuando el valor débilse encuentra fuera del rango de valores propios del observableEste efecto se conoce como amplificación de valores débiles. En este régimen, el desplazamiento del puntero del dispositivo de medición puede parecer mucho mayor de lo esperado; por ejemplo, un componente del espín puede parecer 100 veces mayor que su autovalor máximo. Este efecto de amplificación se ha considerado potencialmente beneficioso para aplicaciones metrológicas donde se requiere detectar señales físicas pequeñas con alta sensibilidad.
Esta débil amplificación de valor se demostró posteriormente de forma experimental. [ 10 ] [ 11 ] [ 3 ] [ 12 ] [ 13 ] .
Tomografía cuántica
También se han explorado valores débiles en el contexto de la tomografía de estados cuánticos . La tomografía de estados directos [ 14 ] [ 15 ] utiliza mediciones débiles y postselección, inspirada en protocolos de valores débiles, para reconstruir el estado cuántico. Además, proporciona una interpretación operativa de las amplitudes de la función de onda. La tomografía de mediciones débiles [ 16 ] busca mejorar la tomografía estándar aprovechando la mínima perturbación de las mediciones débiles, lo que permite reutilizar el mismo sistema para mediciones adicionales.
Fundamentos cuánticos
Los valores débiles se utilizan como indicadores de no clasicidad, como herramientas para explicar paradojas cuánticas y como vínculos entre diferentes interpretaciones de la mecánica cuántica .
Los valores débiles anómalos, aquellos que se encuentran fuera del rango de valores propios de una observable, se consideran indicadores de no clasicidad. Sirven como pruebas de contextualidad cuántica , mostrando que los resultados de las mediciones no pueden ser reproducidos por ningún modelo de variable oculta no contextual. [ 17 ] .
Los valores débiles se han utilizado para crear y explicar algunas de las paradojas en los fundamentos de la teoría cuántica, por ejemplo, el gato de Cheshire cuántico . [ 18 ] También se han utilizado en estudios experimentales de la paradoja de Hardy , donde mediciones débiles conjuntas de pares de fotones entrelazados reprodujeron las predicciones paradójicas. [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]
Se han propuesto valores débiles como una forma de definir la velocidad de una partícula en una posición dada, denominada "velocidad ingenuamente observable". [ 22 ] Experimentos de 2010 informaron trayectorias de fotones en un interferómetro de doble rendija que coincidían cualitativamente con predicciones anteriores [ 23 ] para fotones en la interpretación de De Broglie-Bohm . [ 24 ] [ 25 ] Análisis posteriores han argumentado que las mediciones de velocidad débiles no proporcionan nuevas evidencias a favor o en contra de la teoría de De Broglie-Bohm y no pueden revelar directamente la forma de las trayectorias de las partículas, incluso bajo supuestos deterministas. [ 26 ] [ 27 ]
Críticas
Las críticas a los valores débiles incluyen críticas filosóficas y prácticas. Algunos investigadores destacados como Asher Peres , Tony Leggett , David Mermin y Charles H. Bennett [ 28 ] [ 29 ] son críticos de los valores débiles.
Tras la publicación del artículo de Aharonov, Albert y Vaidman, se publicaron posteriormente dos comentarios críticos y una respuesta.
La respuesta de Aharonov y Vaidman [ 32 ] a los comentarios de Peres y Leggett abordó varios de los puntos técnicos planteados en las críticas, aunque discusiones posteriores en la literatura han expresado puntos de vista diferentes sobre cuán completamente se resolvieron estos problemas.
Importancia metrológica
En la literatura primaria se ha debatido ampliamente sobre el papel de los valores débiles en la metrología cuántica [ 33 ] , incluyendo críticas y refutaciones. Según un artículo de revisión [ 34 ] , los análisis basados en la información de Fisher y la estimación de parámetros indican que la amplificación de valores débiles postseleccionados generalmente no mejora la precisión en tareas metrológicas. Si bien la técnica puede aumentar el tamaño de la señal, la postselección reduce la eficiencia de los datos debido a que se descartan la mayoría de los ensayos. La revisión concluye que los métodos de valores débiles no proporcionan una ventaja cuántica fundamental en metrología, y que los grandes factores de amplificación por sí solos no mejoran el rendimiento de la estimación.
Referencias
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- Ciencia de la información cuántica
- Medición cuántica