Imagen: Dwight Sipler (Wikimedia Commons)

Una de las predicciones distintivas de la mecánica cuántica es que las partículas se comportan de manera impredecible, pero un nuevo experimento parece complicar algunas de esas ideas centrales.

Los investigadores pudieron predecir un tipo de comportamiento atómico llamado salto cuántico e incluso revertir el salto en un nuevo experimento en un átomo artificial. Dicha investigación podría plantear preguntas más importantes acerca de la naturaleza de la física y podría tener implicaciones importantes para mejorar las computadoras cuánticas que dependen de las reglas de la mecánica cuántica para funcionar.

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‚ÄúNuestro experimento muestra que hay m√°s en la historia de c√≥mo funciona la mec√°nica cu√°ntica‚ÄĚ, dijo a Gizmodo el autor del estudio Zlatko Minev, investigador del Centro de Investigaci√≥n Thomas J. Watson de IBM.

El supuesto b√°sico de la mec√°nica cu√°ntica es que, en las escalas m√°s peque√Īas, las propiedades at√≥micas se cuantifican, lo que significa que las part√≠culas adquieren estados discretos, en lugar de continuos (sus propiedades existen a lo largo de una escalera en lugar de una rampa). Por ejemplo, un electr√≥n puede estar en un estado de energ√≠a m√°s bajo, pero si agrega un poco m√°s de energ√≠a, no pasa lentamente al nuevo estado de energ√≠a m√°s alta. M√°s bien, imprevisiblemente encaja en el nuevo estado. Si no lo est√°s observando, el √°tomo puede tomar estados intermedios, pero estos no son puntos intermedios. El √°tomo estar√≠a en ambos estados al mismo tiempo, y luego, una vez que lo observas, se ajustar√≠a de inmediato en uno u otro estado.

Con todo, los investigadores se preguntaron si podr√≠an predecir estos saltos y evitar que sucedan, seg√ļn el art√≠culo publicado en Nature.

El √°tomo artificial del equipo es un aparato experimental compuesto por un circuito hecho de cable que lleva carga sin resistencia con un tipo especial de cerca aislante, llamada uni√≥n de Josephson, ubicada en el centro del cable. En los √°tomos regulares, los ‚Äúestados‚ÄĚ est√°n representados por la ubicaci√≥n del electr√≥n alrededor del n√ļcleo del √°tomo, pero en este √°tomo artificial, el estado est√° representado por una propiedad cuantificada cuyo valor cambia a medida que los electrones pasan la cerca aislante. Este es un sistema cu√°ntico (t√©cnicamente es una computadora cu√°ntica de dos qubits) y sigue las mismas reglas que otros sistemas cu√°nticos, incluidos los electrones alrededor de los √°tomos.

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Los investigadores aplican dos se√Īales de microondas especialmente afinadas. Una se√Īal suministra la cantidad justa de energ√≠a para que el √°tomo realice la transici√≥n entre el estado fundamental y el estado excitado, mientras que la otra se√Īal mide indirectamente la energ√≠a del circuito durante esta transici√≥n.

Los detectores miden una se√Īal de fot√≥n parpadeante brillante (reflexiones del segundo pulso de microondas) cuando el √°tomo artificial est√° en el estado fundamental. Cuando su √°tomo est√° en el estado excitado, los investigadores no observan destellos. Los detectores sensibles pudieron medir cada √ļltimo fot√≥n hasta que la se√Īal se apag√≥, la se√Īal de que la transici√≥n estaba a punto de ocurrir. Cuando los investigadores enviaron otro pulso en el momento adecuado, pudieron detener e invertir la transici√≥n.

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Puede que est√©s familiarizado con el gato de Schr√∂dinger. Es un experimento mental en el que la vida de un gato depende de un proceso cu√°ntico de dos estados, y de acuerdo con las reglas de la mec√°nica cu√°ntica, una vez que el experimento se pone en movimiento, el gato est√° vivo y muerto simult√°neamente hasta que abres la caja. En este caso, el gato que est√° vivo es el estado fundamental, y el gato que est√° muerto es el estado excitado. La implicaci√≥n de esta investigaci√≥n es que los cient√≠ficos pueden observar indirectamente c√≥mo el ‚Äúgato‚ÄĚ se mueve desde el estado vivo al estado vivo y muerto simult√°neamente, e intervenir para salvar al gato.

Otros investigadores quedaron impresionados por los resultados del art√≠culo. ‚ÄúEs un gran experimento‚ÄĚ, dijo a Gizmodo Klaus M√łlmer, profesor de la Universidad de Aarhus en Dinamarca. M√łlmer se√Īal√≥ que de ninguna manera esto significa que cualquier proceso cu√°ntico, como la desintegraci√≥n radiactiva, se deshaga y vuelva a su estado inicial. Pero se√Īal√≥ que los investigadores se√Īalan cuidadosamente los l√≠mites de su experimento.

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En este experimento, los investigadores solo recibieron un momento antes de que ocurriera la transici√≥n entre los estados; no pueden predecir el d√≠a y la hora exactos de la transici√≥n. Pero este nivel de previsi√≥n podr√≠a ser √ļtil para las computadoras cu√°nticas. Hoy en d√≠a, las computadoras basadas en las reglas de la mec√°nica cu√°ntica son rudimentarias y pueden sucumbir a errores aleatorios. La tecnolog√≠a basada en este experimento podr√≠a permitir a los investigadores de computaci√≥n cu√°ntica identificar los errores en el momento en que ocurren. Y, de hecho, algunos de los autores del estudio est√°n trabajando para compa√Ī√≠as de computaci√≥n cu√°ntica; El propio Minev ocupa un puesto de investigaci√≥n permanente en IBM.

Hay mucho trabajo por hacer antes de que esta investigación se integre en las computadoras cuánticas existentes. Pero por ahora, es bastante radical que podamos ver cómo se desarrolla la mecánica cuántica en tiempo real.