El gato de Schrödinger más pesado se consiguió colocando un pequeño cristal en una superposición de dos estados de oscilación

Incluso si no eres un físico cuántico, es probable que hayas oído hablar del famoso gato de Schrödinger. Erwin Schrödinger ideó gatos que podían estar vivos y muertos al mismo tiempo en un experimento mental en 1935. La aparente contradicción (después de todo, en la vida cotidiana solo vemos gatos vivos o muertos) ha llevado a los científicos a intentar para dar sentido a las situaciones similares in vitro. Hasta ahora, han podido hacer esto usando, por ejemplo, átomos o moléculas en estados de superposición de la mecánica cuántica de estar en dos lugares al mismo tiempo.

En ETH, un equipo de investigadores dirigido por Yiwen Chu, profesor en el Laboratorio de Física del Estado Sólido, creó un gato de Schrödinger dramáticamente más pesado al colocar un pequeño cristal en una superposición de dos estados de oscilación. Los resultados fueron publicados esta semana en la revista Cienciaspodría conducir a qubits más potentes y arrojar luz sobre el misterio de por qué las superposiciones cuánticas no se observan en el mundo macroscópico.

gato en una caja

En el experimento mental original de Schrödinger, un gato está encerrado dentro de una caja de metal con material radiactivo, un contador Geiger y un frasco de veneno. En un período de tiempo dado, una hora, por ejemplo, un átomo en la materia puede desintegrarse o no a través de un proceso de mecánica cuántica con cierta probabilidad, y los productos de desintegración pueden hacer que un contador Geiger explote y active un mecanismo que rompa el vial que contiene el veneno que eventualmente matará al gato.

Dado que un observador externo no puede saber si el átomo realmente se ha desintegrado, tampoco sabe si el gato está vivo o muerto; según la mecánica cuántica, que rige la descomposición de un átomo, debe estar en un estado de superposición vivo/muerto. (La idea de Schrödinger se conmemora con una figura de un gato de tamaño natural fuera de su antigua casa en Huttenstrasse 9 en Zúrich).

“Por supuesto, en el laboratorio no podemos lograr un experimento de este tipo con un gato real que pese varios kilos”, dice Zhu. En cambio, ella y sus colegas lograron crear el llamado estado de gato utilizando un cristal oscilante, que representa al gato, con un circuito superconductor que representa al átomo original. Este circuito es esencialmente un qubit o qubit que puede tomar los estados lógicos “0” o “1” o una superposición de ambos estados, “0+1”.

El vínculo entre el qubit y el “gato” de cristal no es un contador Geiger y un veneno, sino una capa de material piezoeléctrico que crea un campo eléctrico cuando el cristal cambia de forma a medida que oscila. Este campo eléctrico se puede acoplar al campo eléctrico del qubit y, por lo tanto, el estado de superposición del qubit se puede transferir al cristal.

Vibraciones simultáneas en direcciones opuestas

Como resultado, el cristal ahora puede oscilar en dos direcciones al mismo tiempo: arriba/abajo y abajo/arriba, por ejemplo. Estas dos direcciones representan el estado “vivo” o “muerto” del gato. “Al superponer los dos estados de oscilación en el cristal, hemos creado efectivamente un gato de Schrödinger de 16 microgramos”, explica Zhou. Esa es aproximadamente la masa de un grano fino de arena y no tiene la masa 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 gordo hasta el momento.

Para que los bamboleos sean verdaderos estados de gato, es importante que se puedan distinguir a simple vista. Esto significa que la separación entre los estados “arriba” y “abajo” debe ser mayor que cualquier fluctuación térmica o cuantitativa de las posiciones de los átomos dentro del cristal. Zhou y sus colegas examinaron esto midiendo la separación espacial de los dos estados usando un qubit superconductor. Aunque la separación medida fue solo una milmillonésima de una milmillonésima de metro, de hecho, más pequeña que un átomo, fue lo suficientemente grande como para distinguir claramente los estados.

Medir pequeñas perturbaciones con casos de gatos

En el futuro, a Chu le gustaría ampliar aún más los límites de bloques de sus gatos de cristal. “Esto es interesante porque nos permitirá comprender mejor por qué los efectos cuánticos desaparecen en el mundo macroscópico de los gatos reales”, dice.

Además de este interés algo académico, también existen aplicaciones potenciales en tecnologías cuánticas. Por ejemplo, la información cuántica almacenada en qubits se puede hacer más robusta mediante el uso de estados cat compuestos por una gran cantidad de átomos en un cristal en lugar de depender de átomos o iones individuales, como se practica actualmente. Además, la extrema sensibilidad de los objetos masivos en estados de superposición al ruido externo puede aprovecharse para realizar mediciones precisas de pequeñas perturbaciones, como ondas gravitacionales, o para detectar materia oscura.