Los físicos han puesto un cristal de zafiro que contiene miles de millones de átomos en una superposición de estados cuánticos. De este modo, los efectos cuánticos se trasladan al mundo macroscópico.
Los físicos han puesto un cristal con unos diez billones de átomos en una superposición de dos estados cuánticos, pulverizando el récord anterior de solo 2000 átomos. El resultado amplía los límites del mundo cuántico.
Cuando una partícula se encuentra en una superposición cuántica de dos estados, ocupa ambos estados simultáneamente. El ejemplo más famoso es el gato de Schrödinger: un experimento mental en el que un gato en una caja está vivo y muerto a la vez, hasta que se abre la caja para ver en qué estado se encuentra el animal.
Cristal de zafiro
Para este experimento, los físicos Matteo Fadel, de la ETH de Zúrich, y sus colegas hicieron vibrar un diminuto cristal de zafiro. Utilizando un qubit superconductor, la versión cuántica de un bit de ordenador, controlaron el estado cuántico preciso del cristal. Así, pusieron el cristal en una superposición de dos estados de movimiento: vibrante y estacionario. Al cabo de unas decenas de microsegundos, la superposición expiró y el cristal permaneció inmóvil.
Esta superposición no es lo mismo que un estado en el que el cristal solo vibra ligeramente. Fadel lo compara con una lámpara con regulador de intensidad. Se puede bajar la intensidad de la luz cada vez más. “Al final se llega a un punto en el que la lámpara puede emitir o no un solo fotón, ya que no existen medias partículas de luz”, explica. “Tampoco existe la mitad de una vibración”.
Macroscopicidad
Al poner tantos átomos en un estado cuántico, los físicos quieren averiguar si existe un límite a la escala de los efectos cuánticos. “En principio, la física cuántica no pone límites: no tiene ningún problema con que yo esté aquí y allí al mismo tiempo”, afirma el físico Rainer Kaltenbaek, de la Universidad de Liubliana. Pero si estos estados se hacen cada vez más macroscópicos, en algún momento entramos en una zona en la que se convierte en un reto conceptual para nosotros. “Nuestra comprensión del espacio y el tiempo y del funcionamiento de la naturaleza se pone entonces en tela de juicio”.
Los efectos cuánticos, como las superposiciones de estados, no se ven en nuestra vida cotidiana. Así que parece que estos efectos disminuyen en algún momento. Posiblemente, esto se deba a la gravedad, que solo empieza a desempeñar un papel importante a escalas mayores.
Los físicos denotan la escala de los experimentos cuánticos mediante una medida que denominan “macroscopicidad”. Ese número viene determinado por varios factores, entre ellos el número de átomos en una superposición de estados cuánticos, su masa, el grado de diferencia entre los dos estados y el tiempo que persiste la superposición.
Fadel y su equipo calcularon una macroscopicidad de unos 11 para su experimento. Esta cifra es muy superior a la de cualquier otra prueba con este tipo de vibración. Sin embargo, no es la macroscopicidad más alta jamás alcanzada por un experimento cuántico. Ese récord lo logró en 2019 otro equipo de investigadores. Aquellos mantuvieron un átomo en una superposición espacial de dos estados separados por 4 micrómetros. En el proceso, lograron una macroscopicidad de 14.
Algo emocionante
“Incluso con este nuevo enfoque, en términos de macroscopicidad, ya se acercan al nivel de sistemas que existen desde hace unos 20 años”, afirma Kaltenbaek. Además, el nuevo sistema parece relativamente fácil de ampliar, afirma Fadel.
El siguiente paso es ver hasta qué punto podemos hacer macroscópica la mecánica cuántica. “Si descubrimos que realmente hay un límite a la macroscopicidad de las superposiciones, sería uno de los descubrimientos más emocionantes de la historia”, afirma el físico Tim Kovachy, de la Universidad Northwestern de Estados Unidos.
En ese caso, la teoría actual de la mecánica cuántica quedaría incompleta. “Eso tendría un efecto enorme en nuestra comprensión de la física y el universo”, afirma Kovachy.