Tendencias21 6 septiembre, 2021
La superposición cuántica escala el mundo macroscópico: se ha conseguido en moléculas orgánicas y puede lograrse en virus y pequeños animales de un milímetro de ancho. El gato de Schrödinger puede convertirse también en un elefante que está vivo y muerto a la vez.
Los científicos están cada vez más cerca de trascender los límites del mundo cuántico. Se han propuesto probar el principio de superposición cuántica a escalas macroscópicas sin precedentes: colocar un objeto levitado en dos ubicaciones a la vez, separadas por una distancia comparable a su tamaño.
Un proyecto europeo, llamado Q-Xtreme, acaba de arrancar con un presupuesto de más de 13 millones de euros, con el propósito de pisar por primera vez la frontera que separa al mundo cuántico del universo macroscópico.
El universo cuántico no sigue las leyes que rigen al mundo físico ordinario, aunque ambos estén describiendo la materia y la energía de todo lo que conocemos.
Es el caso, por ejemplo, de la superposición cuántica, según la cual un sistema físico como un electrón existe en diversos estados posibles hasta que la medición de un científico concreta una de esas posibles configuraciones.
¿Gato o elefante de Schrödinger?
Un ejemplo bastante conocido de esta superposición se remonta a 1935, cuando el físico Erwin Schrödinger propuso un ejemplo imaginario para explicar esta paradoja conocido como el gato de Schrödinger.
Planteó que, si tenemos un gato dentro de una caja en la que hemos introducido por un lado alimento y por el otro veneno, al final es el dueño del gato el que decide su suerte al abrir la caja: estará vivo o muerto según lo que el observador quiera encontrarse.
En este ejemplo, el gato no deja de ser una extrapolación imaginaria de un sistema cuántico. Lo que se intenta averiguar ahora es si esa superposición de estados puede darse a niveles más complejos de la materia: lo que pasa con un gato, ¿ocurriría también con un elefante, que estaría vivo y muerto a la vez hasta que alguien abra su jaula?
Tema relacionado: La superposición cuántica trasciende el mundo de las partículas elementales
¿Dónde están?
Las confirmaciones experimentales de superposiciones cuánticas macroscópicas comenzaron en 1927 utilizando electrones, y hoy han alcanzado el tamaño de moléculas orgánicas que contienen miles de átomos.
En 1999, investigadores de la Universidad de Viena demostraron que moléculas de 0,7 nanómetros, mucho más grandes y pesadas que un átomo individual, podían superponerse.
Este año, dos equipos de investigadores, en Austria y Suiza, han logrado de forma independiente congelar nanopartículas tan minúsculas, de solo 100 a 140 nanómetros de diámetro, casi en su totalidad en su estado cuántico de energía más baja, y fijarlos en su lugar con una precisión sobrenatural.
El objetivo es poner estos objetos en una superposición cuántica, en la cual esimposible decir, antes de medirlos, dónde están realmente.
Y también descubrir cómo desaparece esa superposición, un proceso no menos importante: ocurre cuando la función de onda de las partículas de un objeto pierde coherencia y se convierte en una masa de pequeñas ondas en la que la superposición parece desaparecer.
Decoherencia sutil
A este proceso se le denomina decoherencia y es el principal obstáculo para realizar superposiciones cuánticas de objetos grandes que duren lo suficiente para ser observados: cuanto más grande es el objeto, es probable que tenga más interacciones entre sus partículas y más rápido ocurra la decoherencia.
Eso significa que, cuantas más partículas hay en un objeto, más difícil resulta mantener la superposición cuántica. Por lo tanto, si queremos que la superposición tenga una duración significativa con objetos grandes, la solución es restringir las interacciones entre las partículas que lo forman aislando sus respectivos sistemas cuánticos.
Si esto fuera posible, no habría en teoría límite alguno en el tamaño de un objeto que pueda mantener la superposición: el gato de Schrödinger podría convertirse en un elefante y mantener su ambigüedad hasta que un observador intervenga.
Escalada cuántica
La interferencia deliberada de las interacciones entre partículas (decoherencia) se ha conseguido en la práctica con moléculas orgánicas de 6 nanómetros de ancho y el año pasado incluso con una molécula biológica, que alcanzaron así la superposición cuántica sostenida.
El siguiente paso será conseguirlo con virus e incluso con pequeños animales de un milímetro de ancho, como son los tardígrados, señala la revista Quanta.
El proyecto Q-Xtreme se propone seguir escalando experimentos con el mismo espíritu con el que se concibió el gato de Schrödinger y explorar qué sucede con la mecánica cuántica a escalas de tamaño donde la gravedad importa: metafóricamente, con un elefante.
Expandir la escala cuántica a tamaños donde la gravedad importa podría enseñarnos cosas nuevas sobre la mecánica cuántica, la gravedad y los aspectos ocultos del universo, consideran los investigadores.
Física cuántica y gravedad
Los investigadores destacan también que demostrar el principio de superposición cuántica en regímenes de masas sin precedentes abre la puerta para estudiar experimentalmente los modelos de materia oscura y energía oscura.
Estas superposiciones cuánticas macroscópicas darán lugar asimismo a precisiones de detección ultraaltas, con aplicaciones en detección de fuerza inercial, mediciones de interacciones de corto alcance y física gravitacional.
Para conseguir estos objetivos, Q-Xtreme llevará la física cuántica macroscópica a un nivel completamente nuevo mediante la preparación de superposiciones cuánticas macroscópicas de objetos que contienen miles de millones de átomos, impulsando el estado de la técnica actual en al menos cinco órdenes de magnitud en masa, según se explica en la presentación del proyecto.
¿Existe la frontera cuántica?
Nadie sabe hasta dónde, en principio, puede continuar esta expansión de la cuántica.
¿Existe, como algunos piensan, un límite de tamaño en el que simplemente desaparece, quizás porque el comportamiento cuántico es incompatible con la gravedad (que es insignificante para los átomos y las moléculas)? ¿O no hay un límite fundamental a lo grande que puede ser la cuántica?, se pregunta la revista Quanta.
¿Qué tamaño puede tener un objeto y seguir actuando como una onda cuántica? En teoría, cualquier tamaño, añade.
En los próximos años, seguramente, estaremos muy cerca de la respuesta: Q-Xtreme termina en 2027 y espera haber resuelto una cuestión que puede cambiar nuestra forma de entender y gestionar el mundo.
