Un nuevo experimento pretende romper la barrera cuántica

¿Pueden los objetos grandes tener una naturaleza cuántica? Todavía no se sabe, pero un nuevo experimento podría demostrarlo utilizando un nanocristal con billones de átomos.

La mecánica cuántica es la teoría que describe la naturaleza a las escalas más pequeñas, como la de las partículas y los átomos. Sin embargo, ¿qué pasa con los objetos más grandes, como los nanocristales o incluso los espejos del observatorio LIGO? ¿Podrían estos objetos tener también una naturaleza cuántica, es decir, comportarse de forma diferente a la que esperamos de la física clásica?

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Un equipo de científicos liderado por la UCL (University College London) ha propuesto un experimento basado en tecnologías actuales para utilizar un nanocristal con billones de átomos: si sale bien, podría poner a prueba esa posibilidad, independientemente de la masa o la energía del objeto.

El experimento, descrito en un artículo publicado en Physical Review Letters, se basa en el principio de la mecánica cuántica de que el acto de medir un objeto puede cambiar su naturaleza. El término medir, explican los investigadores, abarca cualquier interacción del objeto con una sonda, por ejemplo, si se le ilumina o si emite luz o calor.

¿Péndulo cuántico?

El experimento que proponen se centra en un objeto similar a un péndulo que oscila como una bola en una cuerda. Se ilumina una mitad del área de oscilación y así se revela información sobre la ubicación del objeto (es decir, si no se observa luz dispersa, se puede concluir que el objeto no está en esa mitad).

Se ilumina una segunda vez, mostrando la ubicación del objeto más adelante en su balanceo. Si el objeto es cuántico, la primera medición (el primer destello de luz) habría perturbado su trayectoria (por el colapso inducido por la medición, una propiedad inherente a la mecánica cuántica), cambiando la probabilidad de dónde estará en el segundo destello de luz, mientras que, si es clásico, el acto de observación no notará ninguna diferencia en su posicionamiento.

Los investigadores pueden comparar entonces escenarios en los que iluminan el objeto dos veces con otros en los que solo ocurre el segundo destello de luz, para ver si hay una diferencia en las distribuciones finales del objeto.

¿La grada de un estadio afecta al partido?

El autor principal, el Dr. Debarshi Das, explica: “una multitud en un partido de fútbol no puede afectar al resultado del juego simplemente mirando con fuerza. Pero con la mecánica cuántica, el acto de observación o medición en sí mismo cambia el sistema. Nuestro experimento puede probar si un objeto es clásico o cuántico viendo si un acto de observación puede provocar un cambio en su movimiento”.

La propuesta, según los investigadores, podría implementarse con las tecnologías actuales utilizando nanocristales o, en principio, incluso utilizando espejos en el LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) en Estados Unidos, que tienen una masa efectiva de 10 kg.

Los cuatro espejos del LIGO, que pesan cada uno 40 kg, pero que juntos vibran como si fueran un solo objeto de 10 kg, ya han sido enfriados al estado de mínima energía (una fracción por encima del cero absoluto) y mostrado efectos cuánticos, todo un récord mundial.

Desde hace algún tiempo, los científicos han estado aumentando constantemente el tamaño en el que aún se pueden observar las superposiciones y los efectos cuánticos relacionados, desde partículas hasta moléculas pequeñas, luego moléculas más grandes, de hasta 0,7 nanómetros de diámetro, como hizo Anton Zeilinger en 1999 e, incluso, con moléculas de unos 2.000 átomos, 20 años después. Incluso sabemos las moléculas implicadas en la fotosíntesis presentan los mismos efectos cuánticos que la materia inerte.

¿Hasta qué punto?

Todavía nadie sabe hasta qué punto, en principio, puede continuar esta escalada de la dinámica cuántica en niveles cada vez más complejos de la naturaleza.

El experimento propuesto supera intentos anteriores de probar la naturaleza cuántica de un objeto macroscópico limitado a cientos de miles de átomos. Si se consigue, el resultado podría tener implicaciones profundas para la comprensión de la naturaleza de la gravedad y de la realidad, así como para el desarrollo de futuras tecnologías basadas en la mecánica cuántica, como los ordenadores o los sensores cuánticos, señalan los investigadores.

Referencia

Mass-Independent Scheme to Test the Quantumness of a Massive Object. Debarshi Das et al. Phys. Rev. Lett. 132, 030202; 16 January 2024. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.030202