Investigadores de Yale han descubierto cómo atrapar al famoso gato de Schrödinger, símbolo de la superposición cuántica, anticipando sus saltos y actuando en tiempo real para ‘salvarlo’.

El descubrimiento, que anula años de dogma fundamental en la física cuántica, permite a los investigadores configurar un sistema de alerta temprana para saltos inminentes de átomos artificiales que contienen información cuántica. Un estudio que anuncia el descubrimiento aparece en la edición en línea de la revista ‘Nature’.

El gato de Schrödinger es una paradoja bien conocida que se utiliza para ilustrar el concepto de superposición, la capacidad para que existan dos estados opuestos simultáneamente, y la impredecibilidad en la física cuántica. La idea es que un gato se coloque en una caja sellada con una fuente radiactiva y un veneno que se activará si un átomo de la sustancia radiactiva se desintegra.

La teoría de la superposición de la física cuántica sugiere que hasta que alguien abre la caja, el gato está vivo y muerto, una superposición de estados. Abrir la caja para observar al gato hace que cambie abruptamente su estado cuántico de forma aleatoria, lo que obliga a estar vivo o muerto. El salto cuántico es el cambio discreto (no continuo) y aleatorio en el estado cuando se observa.

El experimento, realizado en el laboratorio del profesor de Yale Michel Devoret y propuesto por el autor principal Zlatko Minev, se asemeja por primera vez al funcionamiento real de un salto cuántico. Los resultados revelan un hallazgo sorprendente que contradice la opinión establecida del físico danés Niels Bohr: los saltos no son abruptos ni tan aleatorios como se pensaba anteriormente.

Para un objeto pequeño como un electrón, una molécula o un átomo artificial que contiene información cuántica (conocida como cúbit o bit cuántico), un salto cuántico es la transición repentina de uno de sus estados de energía discretos a otro. En el desarrollo de las computadoras cuánticas, los investigadores deben lidiar con los saltos de los qbits, que son las manifestaciones de los errores en los cálculos.

Los saltos cuánticos enigmáticos fueron teorizados por Bohr hace un siglo, pero no se observaron hasta la década de 1980, en los átomos. «Estos saltos ocurren cada vez que medimos un cúbit –explica en un comunicado Devoret, profesor FW Beinecke de Física Aplicada y Física en Yale y miembro del Instituto Quantum de Yale–. Se sabe que los saltos cuánticos son impredecibles a largo plazo. A pesar de eso, queríamos saber si sería posible obtener una señal de advertencia anticipada de que un salto está a punto de ocurrir de manera inminente».

Minev observó que el experimento se inspiraba en una predicción teórica del profesor Howard Carmichael de la Universidad de Auckland, pionero de la teoría de la trayectoria cuántica y coautor del estudio. Además de su impacto fundamental, el descubrimiento es un gran avance potencial en la comprensión y el control de la información cuántica. Los investigadores dicen que administrar de manera confiable los datos cuánticos y corregir los errores a medida que ocurren es un desafío clave en el desarrollo de computadoras cuánticas completamente útiles.

El equipo de Yale utilizó un enfoque especial para monitorizar indirectamente un átomo artificial superconductor, con tres generadores de microondas que irradian el átomo encerrado en una cavidad 3D hecha de aluminio. El método de monitoreo doblemente indirecto, desarrollado por Minev para circuitos superconductores, permite a los investigadores observar el átomo con una eficiencia sin precedentes.

La radiación de microondas agita el átomo artificial a medida que se observa simultáneamente, dando como resultado saltos cuánticos. La pequeña señal cuántica de estos saltos se puede amplificar sin perder la temperatura ambiente. Aquí, su señal puede ser monitorizada en tiempo real. Esto permitió a los investigadores ver una repentina ausencia de fotones de detección (fotones emitidos por un estado auxiliar del átomo excitado por las microondas). Esta pequeña ausencia es la advertencia anticipada de un salto cuántico.

«El efecto mostrado por este experimento es el aumento de la coherencia durante el salto, a pesar de su observación», señala Devoret y Minev agrega: «Puedes aprovechar esto para no solo atrapar el salto, sino también revertirlo».

Este es un punto crucial, aseguran los investigadores. Mientras que los saltos cuánticos aparecen discretos y aleatorios a largo plazo, revertir un salto cuántico significa que la evolución del estado cuántico posee, en parte, un carácter determinista y no aleatorio. El salto siempre se produce de la misma manera predecible desde su punto de inicio aleatorio.

«Los saltos cuánticos de un átomo son algo análogos a la erupción de un volcán –compara Minev–. Son completamente impredecibles a largo plazo. Sin embargo, con la supervisión correcta podemos detectar con certeza una advertencia anticipada de un desastre inminente y actuar sobre ella antes de que haya ocurrido».

Fuente: EP