Físicos de Oxford crean un estado cuántico aún más extraño que el gato de Schrödinger

Un equipo de físicos de la Universidad de Oxford logró crear un nuevo tipo de superposición cuántica, un fenómeno que recuerda al famoso experimento mental del gato de Schrödinger. A diferencia de versiones anteriores, estos nuevos estados cuánticos están construidos a partir de componentes altamente no clásicos, lo que podría abrir nuevas posibilidades para la computación cuántica y proporcionar una comprensión más profunda de las reglas extrañas que rigen el universo cuántico.

El concepto de que los objetos pueden existir en múltiples estados simultáneamente es uno de los aspectos más sorprendentes de la mecánica cuántica. Este principio se ilustra comúnmente con el gato de Schrödinger, un gato hipotético que se considera tanto vivo como muerto hasta que se le observa. Aunque el experimento mental es ficticio, los científicos crean regularmente superposiciones cuánticas reales en el laboratorio. Átomos, luz e incluso el movimiento pueden colocarse en múltiples estados cuánticos a la vez, lo que es crucial para tecnologías como las computadoras cuánticas y los relojes ultra precisos.

Un ejemplo conocido es el qubit, que puede existir en una combinación de 0 y 1 al mismo tiempo. Sin embargo, los sistemas cuánticos son capaces de mucho más que el comportamiento de dos estados. Los osciladores armónicos cuánticos, que pueden ocupar muchos niveles de energía, ofrecen un conjunto de posibilidades mucho más rico. Estos osciladores describen una amplia gama de sistemas físicos, incluidos la luz, las vibraciones y el movimiento de partículas atrapadas. Los científicos los han utilizado para crear muchos tipos diferentes de superposiciones cuánticas.

Construyendo estados cuánticos a partir de componentes no clásicos

El equipo de Oxford demostró ahora una nueva familia de superposiciones cuánticas. En lugar de construir estados similares a los del gato a partir de paquetes de ondas de estado coherente, los investigadores desarrollaron una técnica que combina una amplia gama de componentes cuánticos que ya son altamente no clásicos. En las superposiciones de estados comprimidos, por ejemplo, la incertidumbre cuántica se distribuye de manera diferente en cada parte del estado.

El experimento se basó en el movimiento de un solo ion atrapado. Un ion atrapado combina dos sistemas cuánticos distintos en una sola plataforma. Su estado interno se comporta como un qubit, mientras que su movimiento actúa como un oscilador armónico cuántico que puede ocupar muchos estados de movimiento diferentes. Esta combinación hace que los iones atrapados sean especialmente útiles para crear estados cuánticos que van más allá de los qubits convencionales.

Para generar los nuevos estados, los investigadores primero diseñaron interacciones que entrelazaron el estado interno del ion con diferentes posibles estados de movimiento. Luego realizaron una medición cuántica en medio del circuito sobre el estado interno, lo que hizo que el movimiento del ion colapsara en la superposición deseada de componentes no clásicos. "Este enfoque nos dio una herramienta para esculpir la superposición cuántica en casi cualquier forma", explicó el autor principal Dr. Sebastian Saner.

Control programable de estados cuánticos exóticos

El nuevo método otorgó al equipo un alto grado de control sobre los estados cuánticos que produjeron. Al ajustar los parámetros experimentales, pudieron modificar el tamaño relativo, la orientación y la separación de los componentes dentro de la superposición. Esta flexibilidad les permitió crear una amplia variedad de estados cuánticos de movimiento inusuales utilizando el mismo sistema de ion atrapado.

Los investigadores luego reconstruyeron los estados cuánticos directamente. Sus mediciones revelaron patrones de interferencia y regiones de negatividad de Wigner, señales claras de que los estados no podían describirse como mezclas clásicas ordinarias. Estas observaciones confirmaron que el experimento había producido exitosamente superposiciones cuánticas genuinas compuestas de estados de movimiento verdaderamente no clásicos.

El equipo ahora trabaja con teóricos para comprender mejor cuán "cuánticos" son estos nuevos estados creados. "Nos sentimos realmente alentados por la reacción de nuestros colegas cuando les mostramos lo que habíamos hecho. Creemos que aún estamos rascando la superficie de lo que es posible, tanto para aplicaciones prácticas como para entender estos estados a un nivel más fundamental", comentó Dr. Raghavendra Srinivas, quien supervisó el trabajo.

Impacto potencial en la computación cuántica

La investigación apunta hacia tecnologías cuánticas futuras que dependen de osciladores cuánticos en lugar de solo bits cuánticos simples. Una aplicación particularmente prometedora es la computación cuántica. Estos tipos de estados pueden ser más resistentes a errores y, al mismo tiempo, apoyar estrategias de corrección de errores más simples y efectivas. Más allá de la computación, proporcionan una nueva plataforma experimental para investigar una de las preguntas más grandes de la física: dónde se encuentra el límite entre el mundo clásico que experimentamos y la realidad cuántica subyacente que lo gobierna.