Por primera vez científicos logran un estado de superposición cuántica a un nivel observable por el ojo humano, abriendo un campo de posibilidades para aplicar la mecánica cuántica al mundo macroscópico.
Por primera vez científicos lograron llevar los bizarros efectos de la mecánica cuántica a escalas macroscópicas, observables por el ojo humano. A escala subatómica las partículas pueden estar en estados de superposición -ser ondas y a la vez partículas-, pueden comunicarse instantáneamente (entrelazamiento cuántico) o moverse de forma completamente impredecible. Este tipo de estados cuánticos podrían tener enormes aplicaciones tecnológicas si son logrados llevar a una escala macro.
El logro, reconocido por la revista Science como el más significativo del año, fue realizado por los físcos Andrew Cleland y John Martinis de la Universidad de California en Santa Barbara.Los científicos diseñaron una máquina que consiste de una pequeña placa de metal hecha de material semiconductor apenas visible para el ojo desnuda; al super enfríar el aparato justo encima del cero absoluto (menos 273C) y luego subiendo la energía por un “solo quantum”, hicieron que vibrara al hacerse más gruesa y más esbelta a una frecuencia de 6 mil millones de veces el segundo, produciendo una corriente eléctrica detectable. Lograron, también, que vibrara en dos estados energéticos al mismo tiempo, mucho y poco -un fenómeno sólo permitido por las leyes de la mecánica cuántica. Una especie de fusión de la dualidad, en la que un objeto podría tener mucha energía y a la vez poca, ser grande y pequeño o estar aquí y allá (o en el ejemplo clásico de Schrödinger: un gato que está vivo y muerto al mismo tiempo).
El físico Andre Cleland dijo sobre su resonador cuántico en estado de superposición: “el sistema está excitado y no excitado al mismo tiempo”, esto es, moviéndose y estacionario. “Esto no es lo mismo que la mitad de una excitación, ya que las excitaciones son indivisibles”.
Este aparato abre la puerta para llevar la moción cuántica a escalas superiores y explorar la pregunta fundamental de por qué los objetos de nuestra realidad cotidiana, como las monedas o las personas no se comportan de una forma cuántica observable. Muchos físicos creen que en teoría objetos muchos más grandes podrían ser colocados en estados cuánticos si pueden ser protegidos de perturbaciones del ambiente; otros creen que existe una ley aún no descubierta que impide que este comportamiento cuasi-mágico de la materia subatómica se refleje en los objetos de mayor tamaño. Sin embargo, la utilización de la mecánica cuántica en la computación y en las comunicaciones es altamente factible a escala de nanotecnología, lo que podría posibilitar estados de encriptación que no puedan ser hackeados, velocidad de procesamiento inmensamente superior al actual -donde una computadora puede estar tanto apagada como encendida- y posiblemente teleportar información a través del entrelazamiento cuántico.
Según explicó Andrew Cleland, director del equipo investigador, uno de los postulados básicos de la mecánica cuántica es la posibilidad de colocar un objeto en un “estado de superposición cuántica”.
“Se trata de estados en los que un mismo objeto está al mismo tiempo en dos lugares distintos, en dos configuraciones diferentes o, como en el famoso ejemplo del llamado gato de Schrödinger, a la vez muerto y vivo”, agregó el físico.
Todo eso es muy extraño y no se corresponde con la experiencia cotidiana, pero las pruebas experimentales efectuadas indican que es un fenómeno real tanto a escala subatómica como en los átomos e incluso en algunas moléculas de mayor tamaño como la molécula en forma de pelota C60 (carbono 60).
Según Cleland, hacía tiempo que se perseguía el objetivo de demostrar ese “efecto de superposición cuántica” en objetos de mayor tamaño con especial atención a los objetos mecánicos, en contraposición con los eléctricos.
Uno de los principales retos que se han encontrado los científicos es el de eliminar las vibraciones térmicas, que podrían ocultar o destruir el efecto cuántico.
El equipo de la universidad californiana logró su objetivo de llegar a la energía del punto cero, es decir a la energía más baja del sistema, que corresponde a su estado fundamental o estacionario.
Cleland y sus colegas demostraron “un estado de superposición cuántica” en un objeto que contiene billones de átomos, es decir en el mayor objeto mecánico en que ha podido observarse ese fenómeno hasta el momento.
El sistema mecánico utilizado es un disco finísimo capaz de vibrar mediante expansiones y contracciones en todas las direcciones y que han bautizado “tambor cuántico”.
La forma más fácil y clara de observar los efectos cuánticos es desembarazarse totalmente de las vibraciones térmicas, que podrían camuflar o destruir justamente el efecto que se trata de observar.
A temperatura ambiente, esas vibraciones térmicas pueden ser mil veces mayores que esos efectos cuánticos, por lo que hay que refrigerar el disco hasta temperaturas bajísimas: de dos centésimas de grado por encima del cero absoluto.
La temperatura necesaria está relacionada con la frecuencia de vibraciones del objeto que se trata de estudiar, y así un diapasón tendría que refrigerarse aún mucho más para llegar a la energía del punto cero (es decir el estado estacionario del sistema) o mínimo nivel de vibración posible.
Como eso es muy difícil, los científicos optaron por un “tambor cuántico” con una frecuencia vibratoria un millón de veces superior a la de un diapasón y con el que es posible llegar al estado estacionario rebajando la temperatura con los instrumentos actualmente disponibles en el mercado.
Cleland y sus colegas demostraron el estado fundamental del resonador mecánico utilizando un sistema electrónico conocido como “qubit” (bit cuántico), que permite medir el resonador sin destruir de paso los efectos cuánticos.
Así lograron verificar la ausencia de la mínima vibración, luego excitaron el resonador con un único fonón de energía vibratoria y finalmente crearon en él un “estado de superposición” de forma que en el resonador había simultáneamente una excitación y su ausencia y ése podía elegir entre uno u otro estado, algo parecido a escala mecánica al fenómeno del gato de Schrödinger.
