Un descubrimento que reescribe os libros de texto de física cuántica: crean un

O gato está nunha superposición de estados: vivo e morto ao mesmo tempo /  Midjourney/Eugenio Fdz.

Falar do gato de Schrödinger é mencionar un dos conceptos máis icónicos e debatidos da física cuántica. Está no top 10 da física cuántica. Esta idea, introducida polo físico austriaco Erwin Schrödinger en 1935, ilustra como unha partícula pode estar nun estado de superposición, é dicir, dous estados simultáneos, ata que obsérvase. Agora, nun avance que combina esta noción coas posibilidades da tecnoloxía moderna, un equipo de investigadores logrou recrear esta superposición nun sistema físico dentro dun chip de silicio, utilizando un isótopo de antimonio incrustado nun cristal. Este logro representa un paso significativo cara á comprensión e o control da física cuántica. Por se non quedou claro, o isótopo de antimonio fai as veces de gato.

O estudo, publicado recentemente en Nature Physics, detalla como se conseguiu manipular un sistema cuántico coñecido como o espín nuclear dun átomo de antimonio-123. Esta innovación non só achega a teoría cuántica a aplicacións prácticas, senón que tamén pon de relevo a capacidade da tecnoloxía de silicio, un material esencial na industria electrónica, para ser o soporte de fenómenos tan exóticos como os estados cuánticos. Vexamos en detalle que fai tan especial este logro e cales son as súas implicacións.

A idea do “gato de Schrödinger” xurdiu como un experimento mental para explicar o que parecía ser un paradoxo dentro da mecánica cuántica. En palabras simples, imaxinemos un gato encerrado nunha caixa cun mecanismo que podería matalo ou non, dependendo da desintegración dunha partícula radioactiva. Segundo as leis cuánticas, mentres non abramos a caixa, o gato está nunha superposición de estados: vivo e morto ao mesmo tempo.

Este concepto, aínda que abstracto, é clave para entender fenómenos como a computación cuántica e a teleportación cuántica, onde as partículas poden existir en múltiples estados simultaneamente. O que fai que o traballo actual sexa tan relevante é que os científicos levaron esta idea ao mundo físico, usando un sistema que pode ser medido e controlado con precisión. O equipo logrou crear un estado de superposición controlada dentro do espín nuclear do antimonio-123, mostrando que este tipo de estados cuánticos pode ser “conxelado” e manipulado nunha contorna sólida como o silicio.

Para lograr este avance, os investigadores combinaron varias técnicas avanzadas de manipulación cuántica. O chip de silicio utilizado contén átomos de antimonio-123, un isótopo que ten propiedades únicas en termos de espín nuclear. O espín é unha propiedade cuántica que pode imaxinarse como un pequeno compás interno que apunta en diferentes direccións, representando os estados posibles do sistema.

Mediante campos magnéticos externos e sinais de microondas coidadosamente deseñadas, os científicos lograron inducir e controlar estados de superposición nestes espíns nucleares. Segundo o artigo, o sistema alcanzou un nivel de precisión sen precedentes, que permite estudar como os estados cuánticos evolucionan e mantéñense no tempo. “A estrutura nuclear do antimonio-123, cun espín de I = 7/2, permite explorar configuracións cuánticas complexas nunha contorna altamente controlada”, explican os autores no seu traballo.

Este enfoque non só aproveita as propiedades naturais do silicio como material, senón que tamén resalta a súa compatibilidade coas tecnoloxías actuais de semiconductores, abrindo a porta a futuros dispositivos cuánticos integrados.

 

Representación do qudit nuclear de 8 dimensións do isótopo Sb-123 en silicio, incluíndo a súa contorna física e os estados cuánticos manipulados no experimento / Nature Physics

Este desenvolvemento ten implicacións profundas tanto na física fundamental como na tecnoloxía. En primeiro lugar, o feito de que o sistema estea baseado en silicio suxire que podería integrarse cos procesos de fabricación actuais de chips, facilitando a transición das tecnoloxías cuánticas do laboratorio ao mercado.

Por outra banda, este avance podería ter aplicacións directas en áreas como a computación cuántica, onde os qubits (a unidade básica de información cuántica) requiren estados de superposición estables e controlables. O traballo tamén ten relevancia no desenvolvemento de sensores cuánticos, dispositivos extremadamente sensibles que poderían detectar campos magnéticos ou gravitatorios cunha precisión sen precedentes.

O paper sinala que, aínda que o sistema presenta algunhas barreiras, como a necesidade de manter temperaturas extremadamente baixas, o seu deseño é prometedor para superar estes obstáculos no futuro. “O noso experimento demostra que é posible manipular estados cuánticos en sistemas sólidos con alta fidelidade, achegándonos a aplicacións prácticas”, destacan os autores.

Un aspecto particularmente emocionante do traballo é que ofrece unha vía para controlar a demanda os estados cuánticos. Isto significa que os científicos non só poden crear estados de superposición, senón tamén decidir cando colapsalos (é dicir, facer que adopten un estado definido). Esta capacidade é esencial para moitas aplicacións cuánticas, desde algoritmos ata comunicacións.

O equipo demostrou que era posible manter o estado cuántico durante un tempo suficiente para realizar medicións precisas. Ademais, lograron implementar un enfoque novo para "ler" o estado do sistema sen destruílo, algo que tradicionalmente foi un desafío na física cuántica.

Este control tamén permite explorar novas fronteiras da teoría cuántica, como a relación entre superposición e decoherencia, o fenómeno que fai que os estados cuánticos se desmoronen ao interactuar coa súa contorna. "O noso experimento demostra a preparación de estados cuánticos non clásicos con alta fidelidade e o seu control lóxico nun obxecto a escala atómica, abrindo aplicacións no procesamento de información cuántica e a corrección de erros cuánticos dentro dunha plataforma de semiconductores escalable e fabricable", indican os autores.

Aínda que o logro é impresionante, aínda hai moitos inconvenientes por superar. Un deles é a escala: actualmente, o experimento realizouse en condicións moi controladas, e levar este sistema a un nivel práctico requirirá superar problemas de escalabilidade e robustez.

Con todo, o potencial é innegable. Con avances continuos, poderiamos ver sistemas cuánticos baseados en silicio que transformen áreas como a criptografía, a simulación de materiais e a intelixencia artificial. En última instancia, este traballo representa unha ponte entre a teoría e a aplicación, levando as ideas cuánticas máis aló dos laboratorios cara a un mundo onde poidan cambiar as nosas vidas.

FONTE: Eugenio M. fernández Aguilar/muyinteresante.com