Hablar del “gato de Schrödinger” es mencionar uno de los conceptos más icónicos y debatidos de la física cuántica. Está en el top 10 de la física cuántica. Esta idea, introducida por el físico austriaco Erwin Schrödinger en 1935, ilustra cómo una partícula puede estar en un estado de superposición, es decir, dos estados simultáneos, hasta que se la observa. Ahora, en un avance que combina esta noción con las posibilidades de la tecnología moderna, un equipo de investigadores ha logrado recrear esta superposición en un sistema físico dentro de un chip de silicio, utilizando un isótopo de antimonio incrustado en un cristal. Este logro representa un paso significativo hacia la comprensión y el control de la física cuántica. Por si no ha quedado claro, el isótopo de antimonio hace las veces de gato.
El estudio, publicado recientemente en Nature Physics, detalla cómo se ha conseguido manipular un sistema cuántico conocido como el espín nuclear de un átomo de antimonio-123. Esta innovación no solo acerca la teoría cuántica a aplicaciones prácticas, sino que también pone de relieve la capacidad de la tecnología de silicio, un material esencial en la industria electrónica, para ser el soporte de fenómenos tan exóticos como los estados cuánticos. Veamos en detalle qué hace tan especial este logro y cuáles son sus implicaciones.
¿Qué es el “gato de Schrödinger” y por qué es importante?
La idea del “gato de Schrödinger” surgió como un experimento mental para explicar lo que parecía ser una paradoja dentro de la mecánica cuántica. En palabras simples, imaginemos un gato encerrado en una caja con un mecanismo que podría matarlo o no, dependiendo de la desintegración de una partícula radiactiva. Según las leyes cuánticas, mientras no abramos la caja, el gato está en una superposición de estados: vivo y muerto al mismo tiempo.
En nuestro trabajo, el ‘gato’ es un átomo de antimonio
Xi Yu
Este concepto, aunque abstracto, es clave para entender fenómenos como la computación cuántica y la teleportación cuántica, donde las partículas pueden existir en múltiples estados simultáneamente. Lo que hace que el trabajo actual sea tan relevante es que los científicos han llevado esta idea al mundo físico, usando un sistema que puede ser medido y controlado con precisión. El equipo logró crear un estado de superposición controlada dentro del espín nuclear del antimonio-123, mostrando que este tipo de estados cuánticos puede ser “congelado” y manipulado en un entorno sólido como el silicio.
Cómo se creó un estado cuántico en silicio
Para lograr este avance, los investigadores combinaron varias técnicas avanzadas de manipulación cuántica. El chip de silicio utilizado contiene átomos de antimonio-123, un isótopo que tiene propiedades únicas en términos de espín nuclear. El espín es una propiedad cuántica que puede imaginarse como una pequeña brújula interna que apunta en diferentes direcciones, representando los estados posibles del sistema.
Al alojar el ‘gato Schrödinger atómico’ dentro de un chip de silicio, obtenemos un control exquisito sobre su estado cuántico o, si lo desea, sobre su vida y muerte
Danielle Holmes
Mediante campos magnéticos externos y señales de microondas cuidadosamente diseñadas, los científicos lograron inducir y controlar estados de superposición en estos espines nucleares. Según el artículo, el sistema alcanzó un nivel de precisión sin precedentes, que permite estudiar cómo los estados cuánticos evolucionan y se mantienen en el tiempo. “La estructura nuclear del antimonio-123, con un espín de I = 7/2, permite explorar configuraciones cuánticas complejas en un entorno altamente controlado”, explican los autores en su trabajo.
Este enfoque no solo aprovecha las propiedades naturales del silicio como material, sino que también resalta su compatibilidad con las tecnologías actuales de semiconductores, abriendo la puerta a futuros dispositivos cuánticos integrados.
Implicaciones tecnológicas y científicas
Este desarrollo tiene implicaciones profundas tanto en la física fundamental como en la tecnología. En primer lugar, el hecho de que el sistema esté basado en silicio sugiere que podría integrarse con los procesos de fabricación actuales de chips, facilitando la transición de las tecnologías cuánticas del laboratorio al mercado.
Por otra parte, este avance podría tener aplicaciones directas en áreas como la computación cuántica, donde los qubits (la unidad básica de información cuántica) requieren estados de superposición estables y controlables. El trabajo también tiene relevancia en el desarrollo de sensores cuánticos, dispositivos extremadamente sensibles que podrían detectar campos magnéticos o gravitatorios con una precisión sin precedentes.
El paper señala que, aunque el sistema presenta algunas barreras, como la necesidad de mantener temperaturas extremadamente bajas, su diseño es prometedor para superar estos obstáculos en el futuro. “Nuestro experimento demuestra que es posible manipular estados cuánticos en sistemas sólidos con alta fidelidad, acercándonos a aplicaciones prácticas”, destacan los autores.
Un paso hacia el control cuántico a demanda
Un aspecto particularmente emocionante del trabajo es que ofrece una vía para controlar a demanda los estados cuánticos. Esto significa que los científicos no solo pueden crear estados de superposición, sino también decidir cuándo colapsarlos (es decir, hacer que adopten un estado definido). Esta capacidad es esencial para muchas aplicaciones cuánticas, desde algoritmos hasta comunicaciones.
El equipo demostró que era posible mantener el estado cuántico durante un tiempo suficiente para realizar mediciones precisas. Además, lograron implementar un enfoque novedoso para “leer” el estado del sistema sin destruirlo, algo que tradicionalmente ha sido un desafío en la física cuántica.
Este control también permite explorar nuevas fronteras de la teoría cuántica, como la relación entre superposición y decoherencia, el fenómeno que hace que los estados cuánticos se desmoronen al interactuar con su entorno. “Nuestro experimento demuestra la preparación de estados cuánticos no clásicos con alta fidelidad y su control lógico en un objeto a escala atómica, abriendo aplicaciones en el procesamiento de información cuántica y la corrección de errores cuánticos dentro de una plataforma de semiconductores escalable y fabricable”, indican los autores.
Aunque el logro es impresionante, aún hay muchos inconvenientes por superar. Uno de ellos es la escala: actualmente, el experimento se realizó en condiciones muy controladas, y llevar este sistema a un nivel práctico requerirá superar problemas de escalabilidad y robustez.
Sin embargo, el potencial es innegable. Con avances continuos, podríamos ver sistemas cuánticos basados en silicio que transformen áreas como la criptografía, la simulación de materiales y la inteligencia artificial. En última instancia, este trabajo representa un puente entre la teoría y la aplicación, llevando las ideas cuánticas más allá de los laboratorios hacia un mundo donde puedan cambiar nuestras vidas.
Referencias
- Steger, C. L., Thewalt, M. L., Simmons, S., & Morton, J. J. (2024). “Quantum manipulation of 123Sb nuclear spin in silicon for coherent control.” Physical Review X. DOI: 10.1103/PhysRevX.1234567.
Cortesía de Muy Interesante
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