Un avance cuántico permite estirar la realidad como si fuera una película de ciencia ficción: convierten una nanopartícula en onda gracias a la levitación

En un laboratorio ultraestable, dentro de una cámara de vacío casi perfecta, un pequeño objeto del tamaño de un virus fue suspendido por la fuerza de un haz de luz. Ese diminuto cuerpo, una nanopartícula de sílice, parecía estar inmóvil, pero en realidad estaba atravesando uno de los experimentos más delicados y fascinantes de la física moderna. Un equipo de científicos ha conseguido lo que durante años se había visto como un sueño lejano: hacer que una partícula “macroscópica” experimente una delocalización cuántica controlada. Es un paso crucial para explorar los límites de la mecánica cuántica y sus posibles aplicaciones tecnológicas. Te contamos qué significa esto.

El logro, publicado en la revista Physical Review Letters, ha sido liderado por investigadores del laboratorio de fotónica del ETH Zúrich y el Instituto de Ciencias Fotónicas de Barcelona. Su trabajo demuestra que es posible aumentar la longitud de coherencia cuántica de una nanopartícula levitada, es decir, ampliar el rango en el que su comportamiento ondulatorio se mantiene estable y medible. Para conseguirlo, desarrollaron un sistema experimental capaz de enfriar y liberar parcialmente la partícula con un nivel de control sin precedentes. El objetivo final: acercarse a observar interferencia cuántica con objetos visibles al ojo humano.

El reto de hacer que lo cuántico se manifieste en lo cotidiano

Cuando se enseña física cuántica, suele hablarse del electrón como una partícula que también es una onda. Esa idea, por muy extraña que parezca, está perfectamente respaldada por la teoría y por experimentos como los de doble rendija. Pero trasladar esa dualidad onda-partícula a objetos más grandes, como una nanopartícula, no ha sido fácil. Las interferencias cuánticas se ven fácilmente en átomos y moléculas, pero en partículas más masivas, la decoherencia destruye ese comportamiento antes de que pueda observarse.

En palabras del equipo, “la delocalización cuántica de objetos de mayor tamaño es un desafío excepcional”, debido a que “la longitud de coherencia alcanzable incluso en condiciones ideales está limitada por el movimiento de punto cero”. Es decir, aunque se logre enfriar la partícula al estado cuántico más bajo posible, su naturaleza ondulatoria sigue estando limitada a escalas extremadamente pequeñas.

El avance de este experimento radica en superar esa barrera mediante un método de expansión controlada. La idea no es nueva en sí misma. Al debilitar el confinamiento de una partícula, su onda se expande de forma natural. Pero nunca antes se había hecho con tanta precisión ni se había conseguido mantener la coherencia cuántica durante el proceso. Para ello, los científicos utilizaron un sistema de pinzas ópticas moduladas, que les permitió “suavizar” y “endurecer” la trampa de luz en momentos calculados al microsegundo.

La levitación óptica como herramienta cuántica

El sistema experimental se basa en la técnica de levitación óptica, donde un láser enfocado actúa como una especie de “colchón” que mantiene suspendida una nanopartícula. El haz de luz crea un potencial armónico que confina la partícula en el espacio. En este entorno, el equipo consiguió que la partícula alcanzara un estado de energía extremadamente bajo, muy cercano al mínimo que permite la física cuántica.

Una vez alcanzado ese estado, ejecutaron un protocolo de tres pasos: enfriamiento, delocalización y medición. Durante la fase de expansión, redujeron bruscamente la intensidad del láser, haciendo que la partícula se liberara parcialmente y su posición se volviera más incierta, como predice la mecánica cuántica. “Al reducir repentinamente la potencia del láser, la fuerza de restitución disminuye y, por lo tanto, la nanósfera se delocaliza en el espacio”, escriben los autores en el artículo original .

Este proceso, repetido cuidadosamente, les permitió aumentar más de tres veces la longitud de coherencia original, pasando de unos 21 picómetros a más de 70 picómetros en el mejor de los casos. Aunque estas cifras siguen siendo pequeñas, demuestran que la expansión es posible sin que la partícula pierda su pureza cuántica.

Superando el límite del movimiento de punto cero

Uno de los conceptos clave del experimento es el de longitud de coherencia, que mide hasta qué punto se puede considerar que una partícula se comporta como una onda extendida. A mayor coherencia, más probable es que el sistema pueda exhibir interferencia cuántica. Para partículas grandes, lograr una longitud de coherencia mayor que el llamado movimiento de punto cero era, hasta ahora, un hito pendiente.

Los investigadores informan que, tras aplicar su protocolo de expansión, “logramos una delocalización coherente de la posición de una nanósfera levitada de hasta 73 pm”, lo que supera significativamente el límite clásico y duplica el valor alcanzado por el estado base . Esta cifra representa un progreso notable hacia experimentos de interferencia con objetos realmente macroscópicos.

El resultado es aún más impresionante si se considera que la principal fuente de decoherencia fue el retroceso cuántico provocado por la dispersión de fotones. Esto significa que, a pesar de las limitaciones impuestas por la luz misma que confina a la partícula, el sistema logró mantener una coherencia suficiente como para medir los efectos cuánticos de forma clara. La pureza del estado, esencial para que la delocalización tenga significado físico, se mantuvo estable durante todo el procedimiento.

¿Qué significa “estirar la realidad”?

Decir que este experimento permite “estirar la realidad” no es una metáfora gratuita. En física cuántica, la realidad no siempre se comporta como en la experiencia cotidiana. Lo que llamamos “posición” de una partícula no es un punto fijo, sino una probabilidad repartida en el espacio. Al lograr que esa probabilidad se extienda mucho más allá de su límite habitual, los científicos han conseguido que una partícula ocupe —coherentemente— una región más amplia del espacio, manteniéndose como un único sistema cuántico.

Esto implica que la partícula no está en un solo lugar, sino distribuida cuánticamente en una zona mayor, como si su presencia se hubiera “estirado”. Y no se trata de una confusión o ruido del experimento: el proceso se controló con precisión y se midió su efecto con herramientas cuánticas sofisticadas. Lo que se ha estirado aquí no es un objeto físico como tal, sino la función de onda que describe su comportamiento y su relación con el espacio.

Este tipo de expansión cuántica controlada abre nuevas posibilidades para explorar fenómenos que hasta ahora solo se habían observado en sistemas atómicos o moleculares. También plantea preguntas interesantes sobre los límites de lo que podemos medir y describir dentro de la física cuántica. Gracias a técnicas como esta, cada vez estamos más cerca de comprobar si los efectos cuánticos pueden mantenerse en objetos más grandes y complejos, lo que podría cambiar nuestra forma de entender cómo se conecta el mundo microscópico con el mundo visible.

Implicaciones futuras: sensores cuánticos y gravedad

Aunque la expansión conseguida aún no permite realizar un experimento de interferencia con doble rendija, los investigadores creen que su método es escalable. Según explican, aplicando pulsos repetidos y minimizando aún más la decoherencia, “la delocalización puede crecer exponencialmente”. Esto abre la puerta a una nueva generación de experimentos en los que la frontera entre lo cuántico y lo clásico se pondrá a prueba directamente .

Además, esta técnica tiene aplicaciones potenciales fuera del laboratorio fundamental. Uno de los campos más prometedores es el del sensor cuántico de fuerzas, donde una nanopartícula altamente coherente podría detectar variaciones minúsculas en campos eléctricos o gravitacionales. La precisión alcanzable con un sistema así podría superar la de cualquier tecnología actual.

No menos interesante es el posible uso de estas herramientas para explorar las conexiones entre mecánica cuántica y gravedad, un terreno aún sin mapear experimentalmente. Se han propuesto teorías según las cuales dos masas cuánticas delocalizadas podrían generar entrelazamiento gravitacional, y los métodos descritos en este estudio representan un paso hacia la implementación práctica de esas ideas.

Cortesía de Muy Interesante

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