La superposición cuántica llega al mundo macroscópico: ¿una revolución de la computación cuántica a la vista?

La física cuántica prevalece en el mundo microscópico, mientras que la física clásica gobierna el reino macroscópico. El “traspaso” entre estos dos dominios sigue siendo un misterio para los científicos en términos de escala y mecanismos. Un experimento reciente realizado con un resonador acústico permitió resaltar la superposición cuántica —la ocupación simultánea de dos estados cuánticos distintos— en un conjunto de 10^dieciséis átomos que pesan alrededor de un microgramo. Estos resultados empujan las fronteras de lo «cuántico» a objetos casi macroscópicos y podrían revolucionar la computación cuántica.

Los átomos y otros objetos microscópicos obedecen las leyes de la mecánica cuántica, mientras que los objetos más grandes, como un jarrón o incluso un grano de arena, siguen las reglas de la mecánica clásica establecidas por Isaac Newton hace casi 340 años.

En términos simples, la mecánica cuántica implica que un átomo puede comportarse como una onda y por lo tanto estar en varios lugares simultáneamente, mientras que en la mecánica clásica un jarrón que cae se rompe sin otra alternativa posible. Una partícula también puede estar en dos estados cuánticos al mismo tiempo (superposición).

Muchos experimentos han confirmado las extrañas propiedades de las partículas cuánticas durante los últimos cien años. Sin embargo, la razón subyacente de la diferencia de comportamiento entre los objetos microscópicos y macroscópicos sigue sin conocerse.

Recientemente, Matteo Fadel del Instituto Federal Suizo de Tecnología de Zúrich (ETH) y sus colegas pudieron colocar un cristal de un microgramo en un estado de superposición cuántica para probar la validez de la mecánica cuántica en el mundo macroscópico. Los resultados de su investigación fueron publicados en la revista
cartas de revisión física. Este trabajo debería permitir probar la mecánica cuántica y sus posibles modificaciones utilizando objetos más masivos de tamaño macroscópico.

Estados cuánticos de un cristal vibrante

Para estudiar la mecánica cuántica en objetos más masivos, Matteo Fadel y su equipo utilizaron resonadores de ondas acústicas. Son pequeñas placas de zafiro diseñadas para vibrar y cuyas vibraciones luego se miden.

Para generar vibraciones que representen estados de superposición en la mecánica cuántica —equivalentes a que un átomo o una molécula estén en dos lugares simultáneamente— el cristal se acopla por efecto piezoeléctrico (que genera un campo eléctrico cuando se deforma un material) a un circuito superconductor que actúa como un bit cuántico, o qubit, utilizado en computadoras cuánticas.

Un qubit puede asumir uno de dos posibles estados cuánticos o una superposición de los dos. Al acoplar el qubit al cristal, es posible transferir el estado de superposición del qubit a las vibraciones colectivas de los átomos en el cristal. Además, el qubit se puede utilizar para detectar el estado vibratorio del cristal.

Usando este procedimiento, los investigadores pudieron crear estados de superposición mecánica cuántica para un cristal de zafiro compuesto por diez billones de átomos (un número con 16 ceros). Enfriaron el cristal, que vibraba unas seis mil millones de veces por segundo, a una centésima de grado por encima del cero absoluto para minimizar las fluctuaciones térmicas.

Después de colocar el cristal en un estado cuántico específico, los investigadores detectaron su estado después de un período variable utilizando el qubit. Esto les permitió determinar si el estado vibratorio del cristal era verdaderamente mecánico cuántico o podía ser descrito por la mecánica clásica. Durante el experimento, observaron características cuánticas en la vibración del cristal durante casi 40 microsegundos.

¿Una revolución en la mecánica cuántica?

En un anuncioFadel explica: “
Combinado con la gran masa del cristal, este tiempo de coherencia indica una prueba del principio de superposición cuántica a un nivel cercano al que se puede lograr actualmente con los interferómetros. [instrument permettant de créer des
interférences d’ondes électromagnétiques et d’étudier la
superposition des ondes] «. Él añade: » Con algunas mejoras, podremos estudiar otros objetos macroscópicos en un futuro próximo, superando los resultados obtenidos con moléculas y, por lo tanto, probando la mecánica cuántica en regímenes aún inexplorados. «.

El objetivo final de Fadel es averiguar qué sucede con los efectos cuánticos en el régimen de masa intermedio entre átomos o moléculas, por un lado, y objetos verdaderamente macroscópicos, por el otro. Algunas teorías actuales asumen que la pérdida de coherencia cuántica a medida que los objetos aumentan de tamaño está integrada de alguna manera en la mecánica cuántica.

Determinar si la ecuación de Schrödinger (ilustrada por el famoso gato muerto y vivo en una caja) necesita ser modificada no solo es de gran interés para la ciencia básica, como señala Fadel: Esto tendría implicaciones importantes, por ejemplo, para computadoras y sensores cuánticos. «.

A medida que crece la cantidad de qubits en estos dispositivos cuánticos, los efectos de decoherencia debido a su tamaño podrían imponer restricciones aún imprevistas en su funcionalidad.

Fuente: cartas de revisión física