Estamos adquiriendo un poder inesperado sobre la materia

Investigadores suizos han conseguido por primera vez replicar la superposición cuántica en un objeto macroscópico de miles de billones de átomos, lo que significa que estamos adquiriendo un nuevo poder sobre la materia que impactará en la computación cuántica y los sensores cuánticos.

Una investigación desarrollada en el Departamento de Física de la Escuela Politécnica Federal de Zúrich (EHT Zúrich) ha conseguido por primera vez llevar la superposición cuántica al mundo macroscópico, un logro tecnológico que podría tener un impacto significativo en la computación cuántica y los sensores cuánticos.

Dicho en pocas palabras, eso significa que ha conseguido que un cristal del tamaño de diez mil billones de átomos se comporte durante 40 microsegundos (un microsegundo es la millonésima parte de un segundo), mientras vibraba a unas seis mil millones de veces por segundo estando a una centésima de grado por encima del cero absoluto, como si fuera un objeto cuántico, es decir, como si fuera un objeto 1.000 millones de veces más pequeño que un metro. Las cifras reflejan lo complicado que ha sido el experimento.

Cristal cuántico

Más concretamente, ha logrado poner un cristal de microgramos de masa (un microgramo equivale a la milmillonésima parte de un kilogramo) en un estado de superposición cuántica (en dos estados a la vez), una propiedad exclusiva de las partículas elementales que, si se traspasara al mundo ordinario, sería imposible, por ejemplo, contabilizar un gol: el balón, sencillamente, estaría al mismo tiempo dentro y fuera de la portería.

Aunque estamos cada vez más acostumbrados a las paradojas cuánticas, los desarrollos más recientes en física elemental están aprovechando esos comportamientos inexplicables para conseguir tecnologías cada vez más sofisticadas. La computación cuántica y los sensores cuánticos son algunas de esas promesas.

La nueva investigación aportada por EHT Zúrich representa otro paso significativo en ese proceso: nunca se había podido probar la validez de la mecánica cuántica en un objeto tan pesado como el de este experimento.

Frontera entre mundos

En ese sentido, podemos decir que estamos asistiendo a un momento de la ciencia parecido al que vivimos al comienzos del siglo XX: fue entonces cuando nos dimos cuenta de que los átomos, considerados los ladrillos impenetrables del universo, en realidad ocultaban en su interior un extraño universo que llamamos mundo cuántico.

Ahora nos estamos dando cuenta de que la frontera entre el mundo cuántico y el mundo físico ordinario tiene una complejidad equivalente a la de los átomos: esta investigación ha constatado que las ondas en las que se convierten las partículas se hacen más pequeñas en la misma medida en que su masa aumenta.

Cuestión de masa

Si el balón de fútbol que hemos utilizado como ejemplo se convirtiera en una onda que traspasa al portero sin dejar por ello de ser un balón, tendría más dificultades para conseguirlo si su tamaño fuera cada vez más grande.

Sabemos entonces que la frontera que separa a los dos mundos viene determinada por la masa, pero la nueva investigación nos viene a decir que podemos manipular esa masa para que siga comportándose como partícula cuántica, aunque su masa sea cada vez más grande. Un nuevo poder sobre la materia que estamos adquiriendo casi sin darnos cuenta.

El Dr. Matteo Fadel, que ha liderado esta investigación, lo reconoce taxativamente en un

comunicado

cuando dice: “con algunas mejoras, deberíamos poder crear aún más estados macroscópicos en un futuro cercano, probando así la mecánica cuántica en regímenes aún inexplorados”.

El gato de Schrödinger

El objetivo final de Fadel es averiguar qué sucede con los efectos cuánticos en el régimen de masa intermedio entre átomos o moléculas que tienen más de 2.000 átomos, por un lado, y en objetos verdaderamente macroscópicos (de cuatrillones de átomos), por el otro.

Algunas teorías actuales asumen que la pérdida de coherencia cuántica a medida que los objetos se hacen más grandes está de algún modo integrada en la mecánica cuántica.

Si esto fuera cierto, significaría que la famosa ecuación de Schrödinger, una herramienta matemática que los físicos usan para describir los sistemas cuánticos (en los que supuestamente un gato está vivo y muerto a la vez), está incompleta y debe complementarse con un término adicional. 

Nueva Física

Es lo mismo que pasó cuando nos asomamos por primera vez al interior de los átomos: tuvimos que trascender la física clásica y terminamos construyendo, 70 años después, el Modelo Estándar que describe ese universo inesperado.

Ahora nos estamos planteando que ese Modelo Estándar que tanto nos ha ayudado a entender el mundo de lo infinitamente pequeño es, a su vez, la puerta a lo que llamamos Nueva Física, capaz de explicar la materia oscura o la interacción gravitatoria entre partículas, entre otros misterios sin resolver derivados de nuestra introspección en el interior de los átomos.

Mejoras tecnológicas

También debería ayudarnos a mejorar la computación cuántica y los sensores cuánticos, porque lo que advierte la nueva investigación es que los cúbits (o bits cuánticos) implicados en estas tecnologías pueden perder propiedades (superposición de estados o el entrelazamiento cuántico) si forman parte de estructuras cada vez más masivas.

Tendrían limitaciones inesperadas en su funcionalidad que deberemos identificar y corregir. La nueva investigación nos dice cómo intervenir en la frontera entre esos dos mundos para conseguirlo.

Referencia

Macroscopic Quantum Test with Bulk Acoustic Wave Resonators.

Björn Schrinski et al. Phys. Rev. Lett. 130, 133604; 29 March 2023. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.133604