La superposición de estados en mecánica cuántica:

Una superposición cuántica es la capacidad de estar en más de un estado a la vez: «es como si algo pudiera estar ocurriendo aquí y allá».

En mecánica cuántica el llamado principio de superposición forma la columna vertebral de esta teoría. Este principio se ha podido verificar en los modernos aceleradores de partículas (de mayor precisión -resolución-)

Sin embargo, la superposición de estados es difícil de mantener, ya que se puede destruir si se produce una interacción con el entorno (observación, medida, etc.) No obstante, cuando están ocurriendo la superposición conseguimos resultados muy diferentes de los que estamos acostumbramos a ver en la física clásica, llegando a cuestionar la comprensión habitual del espacio y el tiempo. [Eddington, 1928]

Arthur S. Eddington. Cambridge, Reino Unido. Boceto a lápiz de JMP basado en un original de 1940.

A modo de ejemplo, para una mejor comprensión del principio de superposición, vamos a utilizar una partícula, más concretamente un electrón, que esté en una posición conocida, que llamaremos x, (en la notación que propuso Paul Dirac diríamos que el electrón está en un autoestado de la posición representado por |x>) Si ahora medimos la posición del electrón (con la ayuda de un detector), tendremos como resultado que el electrón se encuentra en la posición x, sin duda alguna.

Siguiendo los postulados de la mecánica cuántica, también podríamos tener otro electrón en una superposición de dos posiciones distintas, que denotaremos por x1 y x2, (ahora el electrón está en una superposición de dos autoestados de la posición representado por la suma |x1> + |x2>) ¿Qué significa esto? ¿Acaso el electrón estará en dos sitios a la vez? En cierto modo diríamos que sí, aunque parezca increíble. Entonces, ¿qué pasaría si ahora medimos su posición? De acuerdo con la mecánica cuántica, el electrón aparecerá en x1 o en x2, con la misma probabilidad (en este caso); aunque nunca en los dos sitios a la vez. En resumen, si el electrón está en la anterior superposición de estados (autoestados), antes de realizar una medida sobre él, no podemos predecir con certeza qué resultado obtendremos. Antes de medir, el electrón no tenía una posición bien definida. No es que la tuviera y nosotros la ignoráramos, es que no la tenía. Esta superposición de dos estados, antes de la medida, es en sí misma un estado (la suma |x1> + |x2>), en este estado conviven las dos “realidades”: “electrón situado en x1” y “el electrón situado en x2”. Es solo cuando decidimos observarlo (medirlo), cuando se “manifiesta” en una de ellas (con la misma probabilidad, en este caso), así es la mecánica cuántica. El comportamiento del electrón es que, mientras no sea observado (o medido), continúa en una superposición de estados (haciendo que evolucione de forma distinta a como lo haría si siempre hubiera tenido una posición bien definida, según se demuestra claramente siguiendo el «experimento de la doble rendija», propuesto inicialmente por Thomas Young y mejorado posteriormente con métodos más refinados)

La mecánica cuántica es muy desconcertante. Una partícula puede estar deslocalizada (no tener una localización bien definida) o puede estar, por ejemplo, en varios estados energéticos a la vez. Este comportamiento está codificado en su función de onda.

La función de onda de un estado puro siempre se puede escribir como una superposición lineal –suma– de varios estados cuánticos (coherentes: con una fase bien definida), cada uno de ellos multiplicado por un coeficiente de amplitud de probabilidad complejo (número complejo: módulo y fase o parte real e imaginaria).

El cuadrado del módulo del coeficiente de amplitud (el coeficiente multiplicado por su complejo conjugado) es la probabilidad de conseguir en una medida (observación) que el sistema de como resultado (que es cuando la función de onda se colapsa o se reduce) el estado cuántico asociado al coeficiente.

La coherencia cuántica es lo que permite que la superposición de varios estados cuánticos se mantenga: pudiendo tenerse, si se dan las condiciones adecuadas, el entrelazamiento entre partículas (Ver: ‘Coherencia y Decoherecia’ y ‘Entrelazamiento’)

Como consecuencia de una coherencia cuántica, se podría llegar a tener una interferencia entre estas amplitudes (debida a las fases de los números complejos). Es como si nos encontrásemos en el caso de que las partículas puedan seguir varias alternativas (indistinguibles) y que cualquier intento de determinar (medir u observar) qué alternativa en particular toma realmente cada partícula produjese la destrucción de estas interferencias: Teniendo una decoherencia cuántica. [Bub, 2000]

Los fenómenos de interferencia son un aspecto importante de la mecánica cuántica, p. ej el experimento de las dos rendijas. Existen muchas situaciones en las que los efectos de interferencia se suprimen artificial o espontáneamente. La decoherencia es precisamente el estudio de estas situaciones.

La decoherencia es una «interacción ambiental», surgiendo a través de la interacción de un sistema con su entorno, p. ej. la interacción de un átomo con un campo electromagnético, etc.

Una característica de estas interacciones ambientales es que suprimen la interferencia entre el conjunto de estados que forman una superposición.

La superposición puede ser un conjunto discreto de estados, p. ej. diversos niveles de energía del oscilador armónico cuántico. Así mismo, la superposición podría ser un conjunto continuo de estados, p. ej. las diferentes posiciones de una partícula cuyo momento lineal esté bien definido (con su distribución de probabilidad correspondiente).

Es importante tener en cuenta la terminología de autoestados (estados propios) o autovectores (vectores propios) de un observable (matriz). La diagonalización de la matriz se consigue con una base de autovectores (así la matriz tiene todos sus elementos nulos, excepto los de la diagonal principal) con lo que los elementos de la diagonal principal de la matriz nos da los autovalores correspondientes.

En algunos modelos, para minimizar la decoherencia, el conjunto de estados que forman la superposición se consigue fortalecer (se robustece), porque la información de ellos se almacena de forma redundante. Estainformaciónpodrá ser adquirida posteriormente por un observador sin perturbar más el sistema.

La coherencia cuántica es una de las condiciones física para que un sistema (de una o varias partículas) se puedan encontrar en un estado cuántico (estado puro) como superposición de otros estados, como es el caso de los fotones en un haz láser (coherencia espacial y temporal: con un mínimo de incertidumbre cuántica – Ver P. Incertidumbre de Heisenberg-).

La coherencia cuántica podría estar relacionada con la capacidad de los fotones para trabajar de forma sinérgica y cooperativa (formando patrones de interferencia constructiva y destructiva) para organizar procesos biológicos. Cuando este estado de coherencia se pierde por cualquier motivo, el sistema biológico puede entrar en un estado de entropía positiva, perdiendo su organización y equilibrio, lo que posibilita la aparición de enfermedades y síntomas en el cuerpo físico. [Benfatto, 2021] (Ver: Detección de biofotones)

Ver: Coherencia y decoherencia.