La superposición cuántica llega al mundo microscópico: ¿Se avecina una revolución de la computación cuántica?

La física cuántica prevalece en el mundo microscópico, mientras que la física clásica rige en el dominio macroscópico. El ‘traspaso’ entre estos dos dominios sigue siendo un misterio para los científicos en cuanto a la escala y los mecanismos. Un experimento reciente que utilizó un resonador acústico permitió resaltar la superposición cuántica, la ocupación simultánea de dos estados cuánticos distintos, en un grupo de 10^dieciséis Los átomos pesan alrededor de un microgramo. Estos hallazgos amplían los límites de lo «cuántico» para casi todos los objetos macroscópicos y podrían revolucionar la computación cuántica.

Les atoms and autres objets microscopiques obéissent aux lois de la mécanique quantique, tandis que les objets plus volumineux, tels qu’un vase ou même un sable grain, siguiendo las reglas de la mécanique classique établies de Isaac Newton en los 340 años anteriores.

En términos simples, la mecánica cuántica sugiere que un átomo puede comportarse como una onda y, por lo tanto, estar en varios lugares a la vez, mientras que en la mecánica clásica un jarrón que cae se rompe sin ninguna otra alternativa posible. Una partícula también puede estar en dos estados cuánticos al mismo tiempo (superposición).

Numerosos experimentos han confirmado las extrañas propiedades de las partículas cuánticas en los últimos 100 años. Sin embargo, aún se desconoce la razón subyacente de la diferencia de comportamiento entre organismos microscópicos y macroscópicos.

Recientemente, Mathieu Fadel del Instituto Federal Suizo de Tecnología de Zúrich (ETH) y sus colegas pudieron colocar un cristal de un solo microgramo en un estado de superposición cuántica para probar la validez de la mecánica cuántica en el mundo microscópico. Los resultados de su investigación han sido publicados en la revista
Cartas de revisión física. Este trabajo debería permitir probar la mecánica cuántica y sus posibles modificaciones utilizando objetos masivos de tamaño microscópico.

Estados cuánticos de un cristal vibrante

Para estudiar la mecánica cuántica en objetos más masivos, Mathieu Fadell y su equipo utilizaron resonadores de ondas sonoras. Estas son pequeñas láminas de zafiro diseñadas para vibrar, y luego se miden sus vibraciones.

Para generar vibraciones que son estados de superposición en la mecánica cuántica, el equivalente a que un átomo o una molécula estén en dos lugares a la vez, un cristal piezoeléctrico (que genera un campo eléctrico cuando la materia se deforma) se acopla a un circuito superconductor que actúa como un bit cuántico, o qubit, que se utiliza para las computadoras cuánticas.

Un qubit puede adoptar uno de los dos estados cuánticos posibles o una superposición de los dos. Al acoplar el qubit al cristal, el estado de superposición del qubit se puede transferir a las vibraciones colectivas de los átomos en el cristal. Además, el qubit se puede usar para detectar el estado de vibración del cristal.

Usando este procedimiento, los investigadores pudieron crear estados de superposición mecánica cuántica de un cristal de zafiro compuesto por diez billones de átomos (un número con 16 ceros). Enfriaron el cristal, que vibraba unas seis mil millones de veces por segundo, a una centésima de grado por encima del cero absoluto para reducir las fluctuaciones térmicas.

Después de colocar el cristal en un estado cuántico específico, los investigadores detectaron su estado después de un período variable utilizando un qubit. Esto les permitió determinar si el estado vibratorio del cristal era verdaderamente mecánico cuántico o podía ser descrito por la mecánica clásica. Durante su experimento, observaron las características cuánticas en la vibración del cristal durante aproximadamente 40 microsegundos.

¿Una revolución en la mecánica cuántica?

en comunicaciónFadel explica:
Combinado con la gran masa del cristal, este tiempo de coherencia sugiere una prueba del principio de superposición cuántica a un nivel cercano al que se puede lograr actualmente usando interferómetros. [instrument permettant de créer des
interférences d’ondes électromagnétiques et d’étudier la
superposition des ondes] «. Agregar : » Con algunas mejoras, deberíamos poder estudiar otros objetos macroscópicos en un futuro cercano, superando los resultados obtenidos con partículas y probando así la mecánica cuántica en sistemas hasta ahora inexplorados. «.

El objetivo final de Fadel es descubrir qué sucede con los efectos cuánticos en el sistema de masa intermedia entre átomos o moléculas por un lado y objetos macroscópicos por el otro. Algunas teorías actuales postulan que la pérdida de coherencia cuántica a medida que los objetos se hacen más grandes se produce de algún modo en la mecánica cuántica.

Determinar si la ecuación de Schrödinger (famosa dibujada por un gato vivo y muerto en una caja) necesita ser modificada no solo es de gran importancia para la ciencia básica, como señala Fadel: Esto tendrá implicaciones importantes, por ejemplo, para computadoras y sensores cuánticos. «.

A medida que crece la cantidad de qubits en estos dispositivos cuánticos, los efectos de decoherencia debido a su tamaño pueden imponer limitaciones inesperadas en su funcionalidad.

fuente : Cartas de revisión física