En el extraño universo de la física cuántica, donde las partículas pueden estar en dos lugares a la vez o interactuar instantáneamente a través de grandes distancias, una de las ideas más fascinantes, y desconcertantes, es la de la superposición cuántica.
Según esta noción, un sistema puede encontrarse simultáneamente en dos estados diferentes.
Esta rareza fue inmortalizada por el físico austriaco Erwin Schrödinger en 1935 con su ya legendario experimento mental: un gato encerrado en una caja, que está vivo y muerto al mismo tiempo… hasta que alguien abre la caja y observa el estado del felino.
Aunque suene a paradoja filosófica, la superposición cuántica no es un mero juego intelectual.
En los laboratorios de todo el mundo, físicos han logrado reproducir versiones de este gato de Schrödinger utilizando fotones, electrones, átomos y campos electromagnéticos.
Estos experimentos demuestran que lo que Schrödinger propuso con ironía puede ser, bajo ciertas condiciones, una realidad observable.
Pero hasta ahora había una condición casi inquebrantable: todo debía estar muy frío, tremedamente gélido.
Tan frío como para eliminar casi toda interferencia térmica, que se creía enemiga mortal de la coherencia cuántica.
Esta es la propiedad que permite que un sistema cuántico esté en superposición de estados y muestre interferencias entre ellos.
Es lo que hace posible que una partícula «esté en varios lugares a la vez» o que un «gato esté vivo y muerto» al mismo tiempo.
Sin coherencia, el sistema se comporta de forma clásica, perdiendo su rareza cuántica.
Un nuevo estudio publicado por un equipo internacional liderado por Gerhard Kirchmair, profesor del Instituto de Física Experimental en la Universidad de Innsbruck, y Oriol Romero-Isart, del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica, en la Academia Austriaca de Ciencias, acaba de desafiar esta creencia.
Sus resultados muestran que es posible crear superposiciones cuánticas a temperaturas elevadas, a partir de estados térmicamente excitados, es decir, estados cuánticos calientes.
En otras palabras: los gatos de Schrödinger pueden estar vivos, muertos… ¡y con fiebre!
En física cuántica, un estado gato es una superposición de dos estados opuestos de un sistema.
Por ejemplo, un campo electromagnético puede estar simultáneamente oscilando con dos fases distintas, o un átomo puede estar vibrando en dos posiciones a la vez.
Estas superposiciones cuánticas tienen aplicaciones profundas: no solo son demostraciones del poder de la teoría cuántica, sino que también son esenciales para tecnologías emergentes como la computación cuántica, la metrología cuántica y la transmisión cuántica segura de información.
Para crear estos estados en la práctica, los experimentos tradicionalmente parten de una condición casi ideal: el sistema debe estar en su estado fundamental cuántico, el más frío posible, donde no hay prácticamente ninguna energía térmica.
Esto se logra usando refrigeradores criogénicos capaces de enfriar hasta unas pocas milésimas de grado por encima del cero absoluto.
Pero esta exigencia plantea un problema: muchos sistemas que podrían ser útiles, como osciladores nanomecánicos, sistemas biológicos o incluso dispositivos macroscópicos, no pueden enfriarse con tanta eficiencia.
¿Es entonces imposible observar efectos cuánticos en sistemas calientes?
El equipo de Innsbruck y de Barcelona, con Oriol Romero-Isart, del Instituto de Ciencias Fotónicas, a la cabeza, se propuso justamente desafiar este límite.
«En su experimento mental, Schrödinger también asumió la existencia de un gato vivo, es decir, un gato caliente, recuerda Kirchmair.
Y añade:
Queríamos saber si estos efectos cuánticos también pueden generarse sin partir del estado frío».
La respuesta que ofrece su experimento es un rotundo sí.
Utilizando un sistema basado en electrodinámica cuántica en circuitos (cQED), una tecnología que integra qubits superconductores y cavidades de microondas, el equipo logró generar superposiciones cuánticas claras a temperaturas de hasta 1,8 kelvin, lo cual es sesenta veces más caliente que el entorno criogénico del dispositivo.
Según Ian Yang, que lideró los experimentos desde el Instituto de Física Experimental en la Universidad de Innsbruck, «Nuestros resultados muestran que es posible generar estados cuánticos muy mezclados con propiedades cuánticas claras»
En este contexto, «muy mezclado» significa que el estado inicial tiene una gran cantidad de ruido térmico cuántico, típico de sistemas calientes.
El experimento se realiza en un sistema compuesto por un qubit transmon, que actúa como un átomo artificial, y una cavidad superconductora que puede contener ondas de microondas, comportándose como un oscilador armónico cuántico.
Aunque el conjunto está físicamente refrigerado a 30 milikelvin, los científicos pueden calentar el modo cuántico de la cavidad inyectando ruido térmico de forma controlada.
Una vez alcanzado el nivel de calor cuántico deseado, el equipo aplica dos secuencias de operaciones, llamadas ECD (Echoed Conditional Displacement) y qcMAP, que permiten generar superposiciones cuánticas de estados térmicos.
Estas secuencias crean una superposición coherente a pesar del ruido inicial.
La prueba definitiva viene con la medición de la función de Wigner, una especie de mapa visual del estado cuántico.
En los resultados, aparecen zonas de interferencia negativa, una señal inconfundible de que se ha producido una verdadera superposición cuántica, no una mera mezcla estadística.
«Muchos colegas se sorprendieron cuando les contamos nuestros resultados, porque usualmente pensamos que la temperatura destruye los efectos cuánticos, explica Thomas Agrenius, responsable del análisis teórico, en un comunicado de la Innsbruck.
Y continúa:
Pero nuestras mediciones muestran que la interferencia cuántica puede sobrevivir incluso a temperaturas elevadas».
El logro no es solo un triunfo conceptual. Abre nuevas oportunidades para la ingeniería cuántica en condiciones no ideales.
Esto podría ser fundamental para campos emergentes como los siguientes:
Nanomecánica cuántica: sistemas vibrantes como nanotubos de carbono o membranas cuánticas.
Partículas cuánticas levitadas: objetos microscópicos suspendidos en el vacío.
Sistemas híbridos cuánticos: donde se combinan qubits ópticos, fotónicos y mecánicos.
«Esto abre nuevas oportunidades para la creación y el uso de superposiciones cuánticas en sistemas reales, señala Romero-Isart, actual director del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) en Barcelona.
Y añade:
Especialmente en plataformas donde alcanzar el estado fundamental representa un gran reto técnico».
Además, los gatos cuánticos calientes podrían ser útiles en computación cuántica tolerante a errores, sensores cuánticos de alta precisión y dispositivos cuánticos resistentes al ruido térmico.
«Nuestro trabajo demuestra que podemos observar y usar fenómenos cuánticos incluso en ambientes cálidos, asevera Kirchmair.
Si podemos diseñar bien las interacciones, la temperatura deja de ser un obstáculo».
Fuente: Science Advances
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