Récord de altura de sujeción de Schrödinger

¿Alguna vez has visto «Schrödinger»? Este gato vivo y muerto es el héroe de uno de los experimentos mentales más famosos de la física, demostrando el concepto de «superposición cuántica», según el cual un sistema microscópico puede estar en varios estados al mismo tiempo. Pero en el mundo microscópico, esta idea parece ridícula. Si fuera posible, nuestro día a día sería muy extraño: una taza de café sería caliente y fría, el ascensor estaría en la planta baja, pero a la vez en el tercer y cuarto piso, etc. La superposición de estados cuánticos se observa diariamente en el laboratorio en sistemas microscópicos, como partículas individuales, pero está completamente ausente en el mundo macroscópico. ¡Pero nada la impide en principio! Es por eso que los físicos están tratando de arrojar luz sobre cosas cada vez más grandes. El equipo de Yiwen Chu, de la Escuela Politécnica de Zúrich, batió el récord del «gato de Schrödinger» más grande. Evidentemente no es un gato de verdad, sino un oscilador mecánico, y este gato pesa apenas 16 microgramos, o tanto como un grano de arena… ¡un ser en el umbral del mundo macroscópico!

Si la superposición de estados no se extiende fácilmente a los objetos macroscópicos es porque es frágil. Si la partícula se coloca en tal configuración, basta con hacer una medición sobre esto para que la superposición desaparezca. En el momento de realizar la medida, la partícula adopta, aleatoriamente, sólo uno de sus estados de superposición. Sin embargo, un cuerpo macroscópico está compuesto por una enorme cantidad de partículas (del orden de 10²⁴) y las interacciones con su entorno son suficientes para destruir cualquier superposición de estados. Hablamos de «decoherencia».

Erwin Schrödinger, uno de los padres de la mecánica cuántica, no quedó del todo satisfecho con la idea de la superposición de estados. En 1935, imaginó un experimento mental para ilustrar todos sus absurdos. «Gato» se coloca en una caja opaca que contiene un dispositivo que contiene un átomo radiactivo y un sistema que liberará un veneno letal para el gato si el átomo se desintegra. Cuando la caja está cerrada, es imposible saber si el átomo se ha desintegrado después de cierto tiempo. Debemos suponer que el átomo está en una superposición de los estados ‘intacto’ y ‘desarticulado’. Pero lo mismo se aplica a la botella de veneno, que está «abierta» y «cerrada», y, en consecuencia, al gato «vivo» y «muerto». Una situación absurda en la vida cotidiana. Por supuesto, cuando abre la caja, realiza una «medición» y la superposición de estado «colapsa» en un estado bien definido: el gato está vivo o muerto.

Nunca hemos observado un gato vivo y muerto al mismo tiempo, pero ¿qué tamaño de sistema puede caber en una superposición de estados? En 2019, el equipo de Marcus Arndt de la Universidad de Viena, Austria, logró esta hazaña con una molécula que contenía casi 2000 átomos.

En 2010, Andrew Cleland de la Universidad de Chicago y sus colegas adoptaron otro enfoque. Hicieron una especie de «cilindro cuántico», un oscilador micromecánico de nitruro de aluminio que contenía alrededor de 10¹³ Átomos, cuyas vibraciones producen una corriente eléctrica con efecto piezoeléctrico. Este oscilador estaba conectado a un qubit que se usaba para medir el estado de vibración. A continuación, el grupo se enfrió por debajo de 0,1 K. Gracias al flujo magnético externo, los físicos han logrado poner este oscilador en una superposición de dos modos de vibración: ¡vibrar y no vibrar al mismo tiempo! Este dispositivo se inspiró en Yuen Zhu y su equipo y lo amplió a un sistema mucho más grande: su resonador, con 10¹⁷ Atoms, es el objeto más grande jamás observado en estados de superposición.

Al empujar el límite en el tamaño de los objetos que exhiben un comportamiento cuántico, los físicos esperan comprender mejor cómo se destruyen las superposiciones de estados. La interacción con el entorno no es la única explicación ofrecida. Existen otras hipótesis, además de la mecánica cuántica estándar, y se basan, por ejemplo, en procesos de colapso espontáneo o decoherencia asociados a la interacción gravitacional. Pero por ahora, la gata de Schrödinger guarda todos sus secretos.