Crean el gato de Schrödinger más pesado a la fecha

Investigadores de ETH Zurich han creado el gato de Schrödinger más pesado hasta la fecha al colocar un cristal en una superposición de dos estados de oscilación.

Sus resultados podrían conducir a bits cuánticos más robustos y ayudar a explicar por qué las superposiciones cuánticas no se observan en la vida cotidiana.

Incluso si no eres un físico cuántico, lo más probable es que hayas oído hablar del famoso gato de Schrödinger.

Erwin Schrödinger ideó el felino que puede estar vivo y muerto al mismo tiempo en un experimento mental en 1935.

La contradicción obvia (después de todo, en la vida cotidiana solo vemos gatos que están vivos o muertos) ha llevado a los científicos a tratar de realizar situaciones análogas en el laboratorio.

Hasta ahora, han logrado hacerlo utilizando, por ejemplo, átomos o moléculas en estados de superposición mecánica cuántica de estar en dos lugares al mismo tiempo.

En ETH, un equipo de investigadores dirigido por Yiwen Chu, profesor del Laboratorio de Física del Estado Sólido, ha creado un gato de Schrödinger sustancialmente más pesado al colocar un pequeño cristal en una superposición de dos estados de oscilación.

Sus resultados podrían conducir a bits cuánticos más robustos y arrojar luz sobre el misterio de por qué las superposiciones cuánticas no se observan en el mundo macroscópico.

En el experimento mental original de Schrödinger, un gato está encerrado dentro de una caja de metal junto con una sustancia radiactiva, un contador Geiger y un frasco de veneno.

En un cierto período de tiempo, digamos una hora, un átomo en la sustancia puede o no decaer a través de un proceso de mecánica cuántica con cierta probabilidad, y los productos de desintegración pueden hacer que el contador Geiger se dispare y active un mecanismo que rompe el frasco que contiene el veneno, lo que eventualmente mataría al gato.

Dado que un observador externo no puede saber si un átomo realmente se ha desintegrado, tampoco sabe si el gato está vivo o muerto; de acuerdo con la mecánica cuántica, que rige la descomposición del átomo, debería estar en un estado de superposición vivo/muerto.

“Por supuesto, en el laboratorio no podemos realizar un experimento de este tipo con un gato real que pese varios kilogramos”, dice Chu.

En cambio, ella y sus compañeros de trabajo lograron crear el llamado estado de gato utilizando un cristal oscilante, que representa al gato, con un circuito superconductor que representa al átomo original.

Ese circuito es esencialmente un bit cuántico o qubit que puede adoptar los estados lógicos “0” o “1” o una superposición de ambos estados, “0+1”.

El vínculo entre el qubit y el “gato” de cristal no es un contador Geiger y un veneno, sino una capa de material piezoeléctrico que crea un campo eléctrico cuando el cristal cambia de forma mientras oscila.

Ese campo eléctrico se puede acoplar al campo eléctrico del qubit y, por lo tanto, el estado de superposición del qubit se puede transferir al cristal.

Como resultado, el cristal ahora puede oscilar en dos direcciones al mismo tiempo: arriba/abajo y abajo/arriba, por ejemplo.

Esas dos direcciones representan los estados “vivo” o “muerto” del gato.

“Al poner los dos estados de oscilación del cristal en una superposición, hemos creado efectivamente un gato de Schrödinger que pesa 16 microgramos”, explica Chu.

Esa es aproximadamente la masa de un grano fino de arena y no se acerca a la de un gato, pero sigue siendo varios miles de millones de veces más pesado que un átomo o molécula, lo que lo convierte en el gato cuántico más gordo hasta la fecha.

Para que los estados de oscilación sean verdaderos estados gatunos, es importante que sean macroscópicamente distinguibles.

Esto significa que la separación de los estados “arriba” y “abajo” debería ser mayor que cualquier fluctuación térmica o cuántica de las posiciones de los átomos dentro del cristal.

Chu y sus colegas verificaron esto midiendo la separación espacial de los dos estados usando el qubit superconductor.

A pesar de que la separación medida fue solo una milmillonésima de una milmillonésima de metro, de hecho, más pequeña que un átomo, fue lo suficientemente grande como para distinguir claramente los estados.

En el futuro, a Chu le gustaría ampliar aún más los límites de masa de sus gatos de cristal.

“Esto es interesante porque nos permitirá comprender mejor la razón detrás de la desaparición de los efectos cuánticos en el mundo macroscópico de los gatos reales”, dice.

Más allá de este interés bastante académico, también existen aplicaciones potenciales en tecnologías cuánticas.

Por ejemplo, la información cuántica almacenada en qubits podría hacerse más robusta mediante el uso de estados gatunos compuestos por una gran cantidad de átomos en un cristal en lugar de depender de átomos o iones individuales, como se hace actualmente.

Además, la extrema sensibilidad de los objetos masivos en estados de superposición al ruido externo podría aprovecharse para realizar mediciones precisas de pequeñas perturbaciones, como las ondas gravitacionales, o para detectar materia oscura.

Fuente: Science