Descubren cómo salvar al gato de Schrödinger
Un grupo de investigadores ha ideado un sistema que permite anticipar los saltos cuánticos.
La física de partículas es tan necesaria para explicar el mundo atómico como incomprensible. Uno de sus mayores misterios es, por ejemplo, cómo partículas pueden existir, aparentemente, en dos estados a la vez (un salto cuántico).
Un grupo de investigadores ha configurado un sistema de alerta temprana para anticipar los saltos inminentes de átomos artificiales que contienen información cuántica. Y, de paso, vuelan de un plumazo años de teoría fundamental de física cuántica.
Trasladado al clásico ejemplo académico de la paradoja de Schrödinger, podría decirse que los científicos han logrado salvar al gato de su incierto final. Repasemos qué dice la paradoja antes de continuar.
La
paradoja de Schrödinger
El gato de Schrödinger es una paradoja bien conocida que se utiliza para ilustrar el concepto de superposición, la capacidad para que existan dos estados opuestos simultáneamente, y la impredecibilidad en la física cuántica.
La idea es que un gato se coloca en una caja sellada con una fuente radiactiva y un veneno que se activará si un átomo de la sustancia radiactiva se desintegra. La teoría de la superposición de la física cuántica sugiere que hasta que alguien abre la caja, el gato está vivo y muerto al mismo tiempo: una superposición de estados. Abrir la caja para observar al gato hace que cambie abruptamente su estado cuántico de forma aleatoria, lo que obliga a estar vivo o muerto.
El nuevo experimento, realizado en el laboratorio del profesor de Yale Michel Devoret y propuesto por el autor principal del estudio Zlatko Minev, se asemeja por primera vez al funcionamiento real de un salto cuántico. Los resultados revelan un hallazgo sorprendente que contradice la opinión establecida del físico danés Niels Bohr; los saltos no son abruptos ni tan aleatorios, como se pensaba anteriormente.
Los saltos cuánticos enigmáticos fueron teorizados por Bohr hace un siglo, pero no se observaron hasta la década de 1980, en los átomos.
Tal como expresan los investigadores: “Se sabe que los saltos cuánticos son impredecibles a largo plazo. A pesar de eso, agregó Minev, “queríamos saber si sería posible obtener una señal de advertencia anticipada de que un salto está a punto de ocurrir de manera inminente”.
El equipo de Yale utilizó un enfoque especial para monitorear indirectamente un átomo artificial superconductor, con tres generadores de microondas que irradian el átomo encerrado en una cavidad 3D hecha de aluminio. El método de monitoreo doblemente indirecto, desarrollado por Minev para circuitos superconductores, permite a los investigadores observar el átomo con una eficiencia sin precedentes.
La radiación de microondas agita el átomo artificial a medida que se observa simultáneamente, dando como resultado saltos cuánticos. La pequeña señal cuántica de estos saltos se puede amplificar sin perder la temperatura ambiente. Aquí, su señal puede ser monitoreada en tiempo real. Esto permitió a los investigadores ver una repentina ausencia de fotones de detección(fotones emitidos por un estado auxiliar del átomo excitado por las microondas); esta pequeña ausencia es la advertencia anticipada de un salto cuántico.
“El efecto hermoso mostrado por este experimento es el aumento de la coherencia durante el salto, a pesar de su observación”, explica Devoret. Minev agregó: “Podemos aprovechar esto para no solo atrapar el salto, sino también revertirlo”.
Mientras que los saltos cuánticos se muestran como discretos y aleatorios a largo plazo, revertir un salto cuántico significa que la evolución del estado cuántico posee, en parte, un carácter determinista y no aleatorio; el salto siempre se produce de la misma manera predecible desde su punto de inicio aleatorio.
¿Para qué sirve anticipar un salto cuántico?
Para un objeto pequeño como un electrón, una molécula o un átomo artificial que contiene información cuántica (conocida como qubit), un salto cuántico es la transición repentina de uno de sus estados de energía a otro. En el desarrollo de los ordenadores cuánticos, los investigadores deben lidiar con los saltos de los qubits, que son las manifestaciones de los errores en los cálculos.
“Estos saltos ocurren cada vez que medimos un qubit“, según Devoret, el Profesor de Física y Física Aplicada de F.W. Beinecke en Yale y miembro del Instituto Quantum de Yale.
Además de su impacto fundamental, el descubrimiento es un gran avance potencial en la comprensión y el control de la información cuántica. Los investigadores dicen que administrar de manera confiable los datos cuánticos y corregir los errores a medida que ocurren es un desafío clave en el desarrollo de computadoras cuánticas completamente útiles.
Los saltos cuánticos de un átomo son algo análogos a la erupción de un volcán. Son completamente impredecibles a largo plazo. Sin embargo, con el monitoreo correcto los científicos podrían detectar con certeza una advertencia anticipada de un desastre inminente y actuar sobre ella antes de que haya ocurrido.
El estudio que anuncia el descubrimiento aparece en la edición en línea del 3 de junio de la revista Nature.
