Los científicos agrandan la mecánica cuántica

Manos en movimiento haciendo un redoble de tambor. Un redoble cuántico se ha convertido en el primer objeto visible en ser puesto en una superposición de estados cuánticos. A. Olsen/iStockphoto

El mayor objeto colocado en un estado cuántico.

Un equipo de científicos ha tenido éxito al colocar un objeto lo bastante grande para ser visible a simple vista en un estado cuántico mezclado de movimiento y estático.

Andrew Cleland de la Universidad de California en Santa Barbara, y su equipo enfriaron un diminuto remo de metal hasta alcanzar su ‘estado base’ mecánico cuántico — el estado de menor energía permitido por la mecánica cuántica. Entonces usaron las extrañas reglas de la mecánica cuántica para colocar simultáneamente el remo en movimiento mientras que se mantenía quieto. El experimento demuestra que los principios de la mecánica cuántica se aplican a objetos cotidianos aparte de las partículas de escala atómica.

Este trabajo se publica simultáneamente on-line en Nature y se presentó en la reunión en Portland de la Sociedad Física Americana¹.

De acuerdo con la teoría cuántica, las partículas actúan como ondas en lugar de puntos masivos a escalas muy pequeñas. Esto tiene docenas de consecuencias extrañas: Es imposible saber la posición exacta de una partícula y su velocidad en el espacio, aunque es posible que la partícula haga dos cosas contradictorias a la vez. A través de un fenómeno conocido como ’superposición’ una partícula puede moverse y permanecer estacionaria al mismo tiempo – al menos hasta que una fuerza externa actúe sobre ella. Entonces, instantáneamente elige una de las dos posiciones contradictorias.

Pero aunque las reglas de la mecánica cuántica parecen aplicarse a escalas pequeñas, nadie ha visto pruebas de la misma a gran escala, donde las influencias externas pueden destruir más fácilmente los frágiles estados cuánticos. “Nadie ha demostrado hasta la fecha que, si tomas un objeto grande, con billones de átomos, la mecánica cuántica se aplique a su movimiento”, dice Cleland.

No hay una razón obvia para que las reglas de la mecánica cuántica no puedan aplicarse a objetos grandes. Erwin Schrödinger, uno de los padres de la mecánica cuántica, estaba tan inquieto por la extrañeza cuántica a gran escala que propuso su famoso experimento mental del “gato de Schrödinger”. Se coloca un gato en una caja con una vía de cianuro y una fuente radiactiva. Si la fuente decae, dispara un dispositivo que romperá la vía, matando al gato. Durante el tiempo que la caja está cerrada, defiende Schrödinger, el gato está en una superposición de vivo y muerto — un absurdo por lo que a él respectaba.

Extrañeza maravillosa

Cleland y su equipo tomaron una medida más directa de la extrañeza cuántica a gran escala. Comenzaron con un diminuto remo mecánico, o ‘baqueta cuántica’, de unos 30 micrómetros de longitud que vibra cuando se coloca en movimiento en un rango concreto de frecuencias. Luego conectaron el remo a un circuito eléctrico superconductor que obedecía las leyes de la mecánica cuántica. Entonces enfriaron el sistema hasta temperaturas por debajo de una décima de kelvin.

A esta temperatura, el remo entró en su estado base mecánico cuántico. Usando el circuito cuántico, Cleland y su equipo verificaron que el remo no tenía energía vibratoria en absoluto. Entonces usaron el circuito para dar al remo un empujón y verlo vibrar a una energía específica.

Luego, los investigadores colocaron el circuito cuántico en una superposición de “empuje” y “no empuje”, y lo conectaron al remo. A través de una serie de cuidadosas medidas, fueron capaces de demostrar que el remo estaba, simultáneamente, vibrando y no vibrando.

“Es maravilloso”, dice Hailin Wang, un físico de la Universidad de Oregon en Eugene ha estado trabajando en una técnica rival para poner un oscilador en estado cuántico. El trabajo muestra que las leyes de la mecánica cuántica se mantienen, como se esperaba, a gran escala. “Esto, con seguridad, es bueno para la física”, dice Wang.

Entonces, si billones de átomos pueden colocarse en un estado cuántico, ¿por qué no vemos a un autobus de dos pisos, andando y deteniéndose a la vez? Cleland cree que el tamaño importa: cuanto mayor es el objeto, más fácil es para las fuerzas externas perturbar el estado cuántico.

“El entorno es algo enorme y complejo”, dice Cleland. “Es esa interacción de este sistema increíblemente complejo lo que hace que se desvanezca la coherencia cuántica”.

Aún así, dice, hay una gran cantidad de razones para seguir intentando tener objetos grandes en estados cuánticos. Los estados cuánticos grandes dicen a los investigadores más sobre las relaciones entre la mecánica cuántica y la gravedad — algo que aún no se comprende bien. Y los resonadores cuánticos podrían ser útiles para algo, aunque Cleland admite que no está seguro de para qué”. Podrían tener alguna aplicación interesante”, comenta. “Pero francamente, no tengo una”.