No hace falta ser físico cuántico para haber oído hablar del famoso gato de Schrödinger. Erwin Schrödinger inventó el gato, que puede estar vivo y muerto al mismo tiempo, en un experimento mental en 1935. La evidente contradicción -después de todo, en la vida cotidiana sólo vemos gatos que están vivos o muertos- ha llevado a los científicos a intentar recrear situaciones análogas en el laboratorio.

Hasta ahora, lo han conseguido, por ejemplo, con átomos o moléculas en estados de superposición mecánica cuántica, en los que las partículas están en dos lugares al mismo tiempo.

En la ETH, un equipo de investigación dirigido por Yiwen Chu, profesora del Laboratorio de Física del Estado Sólido, ha puesto ahora un pequeño cristal en superposición de dos estados vibracionales y ha producido así un gato de Schrödinger significativamente más pesado. Los resultados del equipo, publicados esta semana en la revista Science, podrían conducir a bits cuánticos más robustos y arrojar luz sobre el misterio de por qué las superposiciones cuánticas no se observan en el mundo macroscópico.

Investigadores de la ETH de Zúrich han avanzado en la producción de gatos de Schrödinger más pesados que pueden estar vivos (arriba) y muertos (abajo) al mismo tiempo | Yiwen Chu / ETH Zúrich

En el experimento original de Schrödinger, se encierra a un gato en una caja metálica junto con una sustancia radiactiva, un contador Geiger y un frasco de veneno. En un determinado periodo de tiempo -por ejemplo, una hora-, un átomo de la sustancia puede desintegrarse o no por un proceso mecánico cuántico. Las partículas en descomposición activarían el contador Geiger y, mediante un mecanismo, harían añicos el frasco de veneno, matando finalmente al gato.

Dado que un observador externo no puede saber si el átomo ha decaído realmente, tampoco sabe si el gato está vivo o muerto: según la mecánica cuántica, que determina la desintegración del átomo, éste debería encontrarse en un estado de superposición vivo/muerto. (Delante de la antigua casa de Schrödinger, en la Huttenstrasse 9 de Zúrich, una figura de gato a tamaño natural conmemora esta idea).

Por supuesto, no podemos realizar un experimento así en el laboratorio con un gato de verdad que pese varios kilos, dice Chu. En su lugar, ella y sus colegas han conseguido crear el llamado estado gatuno con un cristal vibrante que representa al gato y un circuito superconductor que asume el papel del átomo original. El circuito es esencialmente un bit cuántico o qubit que puede asumir los estados lógicos «0» o «1» o una superposición, «0+1», de ambos estados. La conexión entre el qubit y el «gato» de cristal no es un contador Geiger y veneno, sino una capa de material piezoeléctrico que genera un campo eléctrico cuando el cristal cambia de forma durante las oscilaciones. Este campo eléctrico puede acoplarse al campo eléctrico del qubit, lo que permite transferir el estado de superposición del qubit al cristal.

El gato de Schrödinger | foto Dhatfield en Wikimedia Commons

Oscilaciones simultáneas en direcciones opuestas

Esto significa que el cristal puede oscilar en dos direcciones al mismo tiempo, por ejemplo, arriba/abajo y abajo/arriba. Estas dos direcciones representan los estados «vivo» o «muerto» del gato. Al superponer los dos estados vibratorios del cristal, hemos creado un gato de Schrödinger que pesa 16 microgramos, explica Chu. Eso es más o menos la masa de un grano de arena y está lejos de la de un gato, pero sigue siendo varios miles de millones de veces más pesado que un átomo o una molécula, lo que lo convierte en el gato cuántico más grande hasta la fecha.

Para que los estados vibracionales se consideren verdaderos estados de gato, es importante que sean macroscópicamente distinguibles. Esto significa que la distancia entre los estados «arriba» y «abajo» debe ser mayor que las fluctuaciones térmicas o mecánico-cuánticas de las posiciones de los átomos en el cristal.

Chu y sus colegas lo comprobaron midiendo la distancia espacial entre los dos estados con el qubit. Aunque la distancia medida era de sólo una milmillonésima parte de una milmillonésima parte de un metro y, por tanto, menor que la de un átomo, era suficiente para distinguir claramente los estados entre sí.

En el experimento, el gato de oscilaciones se representa en un cristal (arriba y sección ampliada a la izquierda), mientras que un circuito superconductor (abajo) acoplado al cristal asume el papel del átomo en descomposición | foto Yiwen Chu / ETH Zúrich

Medición de pequeñas perturbaciones con estados de gato

En el futuro, a Chu le gustaría ampliar aún más el límite de masa de sus gatos de cristal. Esto es interesante porque nos permite entender mejor las razones de la desaparición de los efectos cuánticos en el mundo macroscópico de los gatos reales, afirma. Pero más allá de este interés más académico, también hay aplicaciones potenciales en las tecnologías cuánticas.

Por ejemplo, la información cuántica almacenada en qubits podría hacerse más robusta utilizando estados de gato formados por un enorme número de átomos en un cristal en lugar de los átomos o iones individuales utilizados hasta ahora. Además, la extrema sensibilidad de los objetos pesados en estados de superposición a influencias externas podría utilizarse para mediciones más precisas de pequeñas perturbaciones, como las ondas gravitacionales, o para la detección de materia oscura.


Fuentes

ETH Zurich | Marius Bild et al. ,Schrödinger cat states of a 16-microgram mechanical oscillator. Science380, 274-278(2023).DOI:10.1126/science.adf7553


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