El gato de Schrödinger ha crecido y engordado, pero sigue vivo y muerto al mismo tiempo

Una nueva investigación ha creado en laboratorio el gato de Schrödinger más grande y gordo de la historia: pesa 16 microgramos y, aunque tiene una masa tan insignificante como la de un fino grano de arena, es varios miles de millones de veces más pesado que un átomo o molécula. Potenciará las tecnologías cuánticas.

El famoso gato de Schrödinger fue ideado en 1935 por el físico que lleva su nombre para explicar mediante un ejemplo imaginario el funcionamiento de un sistema cuántico.

En este experimento, un gato está encerrado dentro de una caja de metal junto con una sustancia radiactiva, un contador Geiger (que mide la radiactividad) y un frasco de veneno.

Cada cierto tiempo, un átomo de la sustancia radiactiva puede o no decaer a través de un proceso cuántico: los productos de desintegración pueden hacer que el contador Geiger se dispare y active un mecanismo que rompe el frasco. El veneno se dispersa entonces y mata al gato.

Dado que Schrödinger no puede saber si un átomo realmente se ha desintegrado, tampoco sabe si el gato está vivo o muerto. De acuerdo con la mecánica cuántica, que rige la descomposición del átomo, el gato debería estar vivo y muerto a la vez, en un estado de superposición, hasta que el dueño abre la caja y sentencia al felino.

Las claves del gato

El gato de Schrödinger es una alegoría de dos de los efectos más impresionantes de la mecánica cuántica: el entrelazamiento y la superposición de estados.

El entrelazamiento cuántico es uno de los fenómenos más asombrosos de la física, en el que las partículas cuánticas entrelazadas existen en un estado de superposición compartida que permite que propiedades mutuamente excluyentes (por ejemplo, vivo y muerto) ocurran a la vez.

La superposición cuántica ocurre en la naturaleza cuando una partícula elemental posee simultáneamente dos o más estados, como pasa por ejemplo con los fotones, que pueden permanecer en dos lugares diferentes al mismo tiempo.

Lo que intenta explicar este ejemplo es que, antes de que Schrödinger abra la caja, el gato está en una superposición de estados (vivo y muerto a la vez), y que ambos estados potenciales, a su vez, están entrelazados (cualquier variación en uno se refleja en el otro: si está vivo uno deja de estar muerto el otro).

Gato aplicado

Con el tiempo, el gato de Schrödinger ha dejado de ser una mera alegoría y ha inspirado muchas investigaciones con resultados sorprendentes: se ha descubierto, por ejemplo, que los agujeros negros tienen las mismas propiedades cuánticas que el famoso gato, ya que están vivos y muertos al mismo tiempo, y que son grandes y pequeños, y ligeros o pesados, a la vez.

Se ha comprobado asimismo que el gato de Schrödinger vive también en los sistemas biológicos, además de en los sistemas no orgánicos: las moléculas implicadas en la fotosíntesis presentan los mismos efectos cuánticos que la materia inerte. Son algunos ejemplos de lo que hemos aprendido del gato Schrödinger.

Un gato mucho más gordo

Una nueva investigación desarrollada en la Escuela Politécnica Federal de Zúrich (ETH Zürich) ha creado ahora el gato de Schrödinger más grande y pesado hasta la fecha.

En investigaciones previas, el gato de Schrödinger ha sido recreado en laboratorio utilizando, por ejemplo, átomos o moléculas en estados de superposición cuántica, que ocupan dos lugares al mismo tiempo.

El equipo de investigadores dirigido por Yiwen Chu, profesor del Laboratorio de Física del Estado Sólido, ha ido mucho más lejos: creó un gato de Schrödinger que pesa 16 microgramos (un microgramo equivale a la millonésima parte de un gramo).

Es decir, su gato tiene una masa tan insignificante como la de un fino grano de arena, pero es varios miles de millones de veces más pesado que un átomo o molécula, lo que lo convierte en el gato cuántico más denso de la historia de la ciencia.

Gato de cristal

Consiguió ese pesado gato de Schrödinger colocando un pequeño cristal en una superposición de dos estados de oscilación.

Ese cristal oscilante, que representa al gato, se mezcló con un circuito superconductor que representa al átomo de la sustancia radiactiva ideada por Schrödinger: puede o no decaer siguiendo la dinámica cuántica.

Ese circuito es esencialmente un bit cuántico o cúbit que puede adoptar los estados lógicos "0" o "1" o una superposición de ambos estados, "0+1".

El vínculo entre el cúbit 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 mientras oscila.

Ese campo eléctrico se puede acoplar al campo eléctrico del cúbit, y la superposición de estados que posee se puede transferir al cristal oscilante, que se convierte así en el nuevo y rollizo gato de Schrödinger.

Como resultado, el cristal puede oscilar en dos direcciones al mismo tiempo: arriba y abajo, y abajo y arriba, por ejemplo. Esas dos direcciones representan los estados "vivo" o "muerto" del gato, explican los investigadores en un comunicado. Este resultado nunca se había conseguido a esta escala de la materia.

Aplicaciones potenciales

Este desarrollo, que se ha publicado en la revista científica Science, podría 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, destacan los investigadores.

Añaden que también existen aplicaciones potenciales: por ejemplo, la información cuántica almacenada en cúbits podría hacerse más robusta mediante el uso de estados gatunos compuestos por una gran cantidad de átomos en un cristal, en lugar de depender de átomos o iones individuales, como se hace actualmente.

Además, la extrema sensibilidad al ruido externo de los objetos masivos en estados de superposición podría aprovecharse para realizar mediciones precisas de pequeñas perturbaciones, como las ondas gravitacionales, o para detectar materia oscura, concluyen los investigadores.

A medida que crece, el gato de Schrödinger no solo se vuelve cada vez más pesado, sino también más interesante.

Referencia

Schrödinger cat states of a 16-microgram mechanical oscillator. Marius Bild et al. Science, 20 Apr 2023; Vol 380, Issue 6642, pp. 274-278. DOI:10.1126/science.adf7553