Los científicos salvan al gato de Schrödinger

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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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Nuestro experimento muestra que hay más en la historia de cómo funciona la mecánica cuántica, dijo a Gizmodo el autor del estudio Zlatko Minev, investigador del Centro de Investigación Thomas J. Watson de IBM.

El supuesto básico de la mecánica cuántica es que, en las escalas más pequeñas, las propiedades atómicas se cuantifican, lo que significa que las partículas adquieren estados discretos, en lugar de continuos (sus propiedades existen a lo largo de una escalera en lugar de una rampa). Por ejemplo, un electrón puede estar en un estado de energía más bajo, pero si agrega un poco más de energía, no pasa lentamente al nuevo estado de energía más alta. Más bien, imprevisiblemente encaja en el nuevo estado. Si no lo estás observando, el átomo puede tomar estados intermedios, pero estos no son puntos intermedios. El átomo estaría en ambos estados al mismo tiempo, y luego, una vez que lo observas, se ajustaría de inmediato en uno u otro estado.

Con todo, los investigadores se preguntaron si podrían predecir estos saltos y evitar que sucedan, según el artículo publicado en Nature.

El átomo 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 unión de Josephson, ubicada en el centro del cable. En los átomos regulares, los “estados” están representados por la ubicación del electrón alrededor del núcleo del átomo, pero en este átomo artificial, el estado está representado por una propiedad cuantificada cuyo valor cambia a medida que los electrones pasan la cerca aislante. Este es un sistema cuántico (técnicamente es una computadora cuántica de dos qubits) y sigue las mismas reglas que otros sistemas cuánticos, incluidos los electrones alrededor de los átomos.

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Los investigadores aplican dos señales de microondas especialmente afinadas. Una señal suministra la cantidad justa de energía para que el átomo realice la transición entre el estado fundamental y el estado excitado, mientras que la otra señal mide indirectamente la energía del circuito durante esta transición.

Los detectores miden una señal de fotón parpadeante brillante (reflexiones del segundo pulso de microondas) cuando el átomo artificial está en el estado fundamental. Cuando su átomo está en el estado excitado, los investigadores no observan destellos. Los detectores sensibles pudieron medir cada último fotón hasta que la señal se apagó, la señal de que la transición estaba a punto de ocurrir. Cuando los investigadores enviaron otro pulso en el momento adecuado, pudieron detener e invertir la transición.

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Puede que estés familiarizado con el gato de Schrödinger. Es un experimento mental en el que la vida de un gato depende de un proceso cuántico de dos estados, y de acuerdo con las reglas de la mecánica cuántica, una vez que el experimento se pone en movimiento, el gato está vivo y muerto simultáneamente hasta que abres la caja. En este caso, el gato que está vivo es el estado fundamental, y el gato que está muerto es el estado excitado. La implicación de esta investigación es que los científicos pueden observar indirectamente cómo el “gato” se mueve desde el estado vivo al estado vivo y muerto simultáneamente, e intervenir para salvar al gato.

Otros investigadores quedaron impresionados por los resultados del artículo. “Es un gran experimento”, dijo a Gizmodo Klaus Mølmer, profesor de la Universidad de Aarhus en Dinamarca. Mølmer señaló que de ninguna manera esto significa que cualquier proceso cuántico, como la desintegración radiactiva, se deshaga y vuelva a su estado inicial. Pero señaló que los investigadores señalan cuidadosamente los límites de su experimento.

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En este experimento, los investigadores solo recibieron un momento antes de que ocurriera la transición entre los estados; no pueden predecir el día y la hora exactos de la transición. Pero este nivel de previsión podría ser útil para las computadoras cuánticas. Hoy en día, las computadoras basadas en las reglas de la mecánica cuántica son rudimentarias y pueden sucumbir a errores aleatorios. La tecnología basada en este experimento podría permitir a los investigadores de computación cuántica identificar los errores en el momento en que ocurren. Y, de hecho, algunos de los autores del estudio están trabajando para compañías de computación cuántica; El propio Minev ocupa un puesto de investigación 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.

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