Los físicos crean más grande

Jan 15, 2024

Los físicos han puesto el objeto más grande jamás visto en una superposición cuántica

Un cristal de zafiro que pesa 16 microgramos es el objeto más grande que jamás haya existido en una superposición mecánica cuántica de dos estados vibratorios. Los investigadores del Grupo de Sistemas Cuánticos Híbridos del Instituto Federal Suizo de Tecnología en Zúrich (ETH Zúrich) excitaron el cristal con vibraciones tales que sus átomos oscilaron de un lado a otro simultáneamente y en dos direcciones opuestas, poniendo todo el cristal en lo que se conoce como un estado de superposición cuántica.

Como informa el grupo de investigación en Science, esta condición es muy parecida a la del gato en el famoso experimento mental del físico Erwin Schrödinger. En el escenario de la mecánica cuántica de Schrödinger, un gato está vivo y muerto al mismo tiempo, dependiendo de la descomposición de un átomo que libera un vial de veneno. El cristal de zafiro en el nuevo experimento se ha puesto en el equivalente macroscópico de ese "estado de gato". Dichos estados pueden ayudar a los científicos a comprender cómo y por qué las leyes del mundo cuántico hacen la transición a las reglas de la física clásica para objetos más grandes.

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Para conseguir que el zafiro, que consta de unos 1017 átomos, se comporte como un objeto mecánico cuántico, el grupo de investigación lo puso a oscilar y lo acopló a un circuito superconductor. (En los términos del experimento mental original, el zafiro era el gato y el circuito superconductor era el átomo en descomposición). El circuito se usó como un qubit, o bit de información cuántica que se encuentra simultáneamente en los estados "0" y " 1". La superposición del circuito se transfirió luego a la oscilación del cristal. Por lo tanto, los átomos en el cristal podrían moverse en dos direcciones al mismo tiempo, por ejemplo, hacia arriba y hacia abajo, tal como el gato de Schrödinger está vivo y muerto al mismo tiempo.

Es importante destacar que la distancia entre estos dos estados (vivo y muerto o arriba y abajo) tenía que ser mayor que la distancia atribuida al principio de incertidumbre cuántica, que confirmaron los científicos de ETH Zurich. Usando el qubit superconductor, los investigadores lograron determinar la distancia entre los dos estados vibratorios del cristal. Con aproximadamente dos mil millonésimas de nanómetro, es diminuto, pero lo suficientemente grande como para distinguir esos dos estados sin lugar a dudas.

Estos hallazgos han "ampliado los límites de lo que puede considerarse mecánica cuántica en un experimento de laboratorio real", dice Shlomi Kotler, física que estudia circuitos mecánicos cuánticos en la Universidad Hebrea de Jerusalén. Kotler no participó en el estudio.

Para los objetos mecánicos cuánticos, que existen a escala de átomos y partículas subatómicas, tales superposiciones de estados clásicamente incompatibles son comunes. Los objetos macroscópicos hechos de muchos átomos, por otro lado, normalmente obedecen a la mecánica clásica: no pueden asumir dos estados contradictorios simultáneamente. Así como un gato no puede estar vivo y muerto al mismo tiempo, un cristal no puede vibrar hacia arriba y hacia abajo al mismo tiempo. El gran enigma aquí, sin embargo, es por qué normalmente no puede. Después de todo, no importa cuán grande sea un objeto, está compuesto de átomos y partículas subatómicas que obedecen las reglas de la física cuántica.

Kotler señala que encontrar estados de gato más grandes es una forma de "estirar el límite" de los objetos mecánicos cuánticos observados, en este caso, al demostrar que algo tan masivo como 16 microgramos puede existir en este estado. (Aunque, para ser claros, 16 microgramos sigue siendo microscópico).

Hay varias explicaciones posibles de por qué los objetos más grandes no siguen la mecánica cuántica. Por ejemplo, a medida que aumenta el número de átomos, tal vez más y más influencias provoquen que los estados de la mecánica cuántica decaigan. Otra posibilidad es que la gravedad juegue un papel. La esperanza es que los estados de gatos cada vez más grandes puedan ayudar a resolver el rompecabezas del gato de Schrödinger.

De hecho, Matteo Fadel de ETH Zurich, quien codirigió el estudio con Marius Bild y Yu Yang, espera aprovechar el éxito del equipo con el zafiro y el superconductor para probar algunas de estas posibilidades. "Estoy interesado en explorar el potencial de nuestros dispositivos para investigar la física fundamental, incluida la fenomenología de la gravedad cuántica de baja energía", dice Fadel.

Los estados cuánticos macroscópicos estables y controlables, como los creados en este estudio, también son de interés técnico. Por ejemplo, pueden usarse en métodos de corrección de errores dentro de computadoras cuánticas cada vez más complejas. Kotler explica que la computación cuántica podría basarse en dispositivos que vinculan componentes eléctricos para el procesamiento y objetos mecánicos para la memoria, al igual que los autores de este artículo acoplaron un codo superconductor al cristal de zafiro.

Este artículo apareció originalmente en Spektrum der Wissenschaft y fue reproducido con permiso.

Nota del editor (16/05/23): este artículo se actualizó después de su publicación para aclarar que Matteo Fadel codirigió el estudio y para agregar información adicional sobre el grupo de investigación.

Lars Fischeres químico y trabaja como periodista y editor en Spektrum der Wissenschaft.

daisy yuhas edita la columna Mind Matters de Scientific American. Es periodista científica independiente y editora con sede en Austin, Texas. Siga a Yuhas en Twitter @DaisyYuhas Crédito: Nick Higgins

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