Crean la superposición cuántica más grande jamás observada: miles de átomos desafían el límite entre lo grande y lo pequeño

Un equipo de físicos experimentales de la Universidad de Viena acaba de romper una barrera cuántica clave, al lograr que cúmulos de unos 7,000 átomos estuvieran en dos lugares al mismo tiempo. Nunca antes un conjunto tan denso, del tamaño de una proteína grande o un virus pequeño, había conservado un estado de superposición. El nuevo resultado duplica el récord previo, que apenas alcanzaba los 2,000 átomos.

La superposición es la capacidad cuántica de estar en dos estados a la vez. Como el concepto es contraintuitivo para nosotros, los físicos suelen recurrir a la analogía del gato de Schrödinger. En este experimento mental, un átomo en superposición activa o no un mecanismo que podría matar a un gato dentro de una caja cerrada. Si aplicáramos las reglas del mundo cuántico en esta escala, el gato estaría vivo y muerto a la vez.

Schrödinger propuso esta idea no para afirmar que un gato pueda volverse “cuántico” y estar al mismo tiempo vivo y muerto, sino para mostrar que los objetos macroscópicos no pueden seguir las reglas cuánticas sin caer en contradicciones o estados mutuamente excluyentes. En algún punto, los sistemas grandes pierden su capacidad de superposición y se comportan como objetos clásicos. La naturaleza les hace caer en decoherencia. La gran pregunta es: ¿dónde ocurre esa transición?

Probando la frontera cuántica

La mejor forma de explorar ese límite consiste en escalar los experimentos con partículas cada vez más grandes. Por eso, distintos grupos en el mundo ensamblan cúmulos de átomos de tamaños y complejidades crecientes para medir hasta dónde pueden mantener la superposición y bajo qué condiciones. Por supuesto, las pruebas no son sencillas y hace falta bastante ingenio para lograr resultados exitosos.

Un artículo reciente en Nature reporta la superposición más masiva jamás observada: un cúmulo de 7,000 átomos de sodio. En este caso, la superposición cuántica se manifestó como una deslocalización. Es decir, el cúmulo estuvo en dos posiciones distintas separadas por una distancia mayor que su propio tamaño. Aunque el cúmulo medía apenas 10 nanómetros, su posición cuántica se extendió a lo largo de 133 nanómetros.

Para lograrlo, el sodio se evaporó a 650-700 K en una mezcla fría de argón y helio a una temperatura de nitrógeno líquido de 77 K. A esa temperatura extremadamente baja (-196.15 °C), los átomos de sodio recién evaporados se enfrían rápidamente y comienzan a chocar y unirse, formando cúmulos. Luego, los investigadores enviaron estas nanopartículas a través de un circuito de pruebas diseñado para revelar si se comportaban como ondas o como partículas. El cúmulo pasó la prueba y estableció un nuevo récord mundial.

“La masa de nuestros cúmulos de sodio ya supera la de un viroide o la de una proteína como la inmunoglobulina G”, mencionaron los autores del experimento. También destacan que su plataforma experimental permite, por primera vez, trabajar con cúmulos metálicos en experimentos cuánticos.

Tras este avance, el equipo planea escalar aún más sus experimentos para acercarse a la frontera entre lo cuántico y lo clásico. Reconocen que el desafío crecerá, porque sus herramientas empiezan a tener dificultades para distinguir longitudes de onda tan pequeñas. Pero recuerdan que, hace apenas 15 años, lograr una superposición con 7,000 átomos parecía imposible.