Los investigadores de Yale han descubierto cómo atrapar y salvar al famoso gato de Schrödinger, el símbolo de la superposición cuántica y la imprevisibilidad, anticipándose a sus saltos y actuando en tiempo real para salvarlo de la fatalidad proverbial. En el proceso, anulan años de dogma fundamental en la física cuántica.

El descubrimiento permite a los investigadores establecer un sistema de alerta temprana para saltos inminentes de átomos artificiales que contienen información cuántica. Un estudio que anuncia el descubrimiento aparece en la edición en línea del 3 de junio de la revista. Naturaleza .

El gato de Schrödinger es una paradoja bien conocida que se utiliza para ilustrar el concepto de superposición (la capacidad de que existan dos estados opuestos simultáneamente) e imprevisibilidad en la física cuántica. La idea es que se coloque un gato en una caja sellada con una fuente radiactiva y un veneno que se activará si un átomo de la sustancia radiactiva se desintegra. La teoría de superposición de la física cuántica sugiere que hasta que alguien abra la caja, el gato está vivo y muerto, una superposición de estados. Abrir la caja para observar al gato hace que cambie abruptamente su estado cuántico al azar, obligándolo a estar vivo o muerto.

El salto cuántico es el cambio discreto (no continuo) y aleatorio en el estado cuando se observa.

El experimento, realizado en el laboratorio del profesor de Yale Michel Devoret y propuesto por el autor principal Zlatko Minev, se asoma al funcionamiento real de un salto cuántico por primera vez. Los resultados revelan un hallazgo sorprendente que contradice la opinión establecida del físico danés Niels Bohr:los saltos no son ni abruptos ni tan aleatorios como se pensaba anteriormente.

Para un objeto diminuto como un electrón, molécula, o un átomo artificial que contiene información cuántica (conocido como qubit), un salto cuántico es la transición repentina de uno de sus estados de energía discretos a otro. Al desarrollar computadoras cuánticas, Los investigadores deben lidiar de manera crucial con los saltos de los qubits, que son las manifestaciones de errores en los cálculos.

Los enigmáticos saltos cuánticos fueron teorizados por Bohr hace un siglo, pero no observado hasta la década de 1980, en átomos.

"Estos saltos ocurren cada vez que medimos un qubit, "dijo Devoret, Profesor F.W. Beinecke de Física Aplicada y Física en Yale y miembro del Instituto Cuántico de Yale. "Se sabe que los saltos cuánticos son impredecibles a largo plazo".

"A pesar de eso, "agregó Minev, "Queríamos saber si sería posible obtener una señal de advertencia anticipada de que un salto está a punto de ocurrir de manera inminente".

Minev señaló que el experimento se inspiró en una predicción teórica del profesor Howard Carmichael de la Universidad de Auckland, pionero de la teoría de la trayectoria cuántica y coautor del estudio.

Además de su impacto fundamental, el descubrimiento es un gran avance potencial en la comprensión y el control de la información cuántica. Los investigadores dicen que administrar de manera confiable los datos cuánticos y corregir los errores a medida que ocurren es un desafío clave en el desarrollo de computadoras cuánticas completamente útiles.

El equipo de Yale utilizó un enfoque especial para monitorear indirectamente un átomo artificial superconductor, con tres generadores de microondas que irradian el átomo encerrado en una cavidad tridimensional de aluminio. El método de seguimiento doblemente indirecto, desarrollado por Minev para circuitos superconductores, permite a los investigadores observar el átomo con una eficiencia sin precedentes.

La radiación de microondas agita el átomo artificial mientras se observa simultáneamente, resultando en saltos cuánticos. La pequeña señal cuántica de estos saltos se puede amplificar sin perder la temperatura ambiente. Aquí, su señal se puede monitorear en tiempo real. Esto permitió a los investigadores ver una ausencia repentina de fotones de detección (fotones emitidos por un estado auxiliar del átomo excitado por las microondas); esta pequeña ausencia es la advertencia anticipada de un salto cuántico.

"El hermoso efecto que muestra este experimento es el aumento de coherencia durante el salto, a pesar de su observación, "dijo Devoret. Agregó Minev, "Puede aprovechar esto no solo para atrapar el salto, pero también revertirlo ".

Este es un punto crucial, dijeron los investigadores. Si bien los saltos cuánticos parecen discretos y aleatorios a largo plazo, invertir un salto cuántico significa que la evolución del estado cuántico posee, en parte, un carácter determinista y no aleatorio; el salto siempre ocurre en el mismo, de manera predecible desde su punto de partida aleatorio.

"Los saltos cuánticos de un átomo son algo análogos a la erupción de un volcán, "Dijo Minev." Son completamente impredecibles a largo plazo. Sin embargo, con el seguimiento correcto podemos detectar con certeza una advertencia anticipada de un desastre inminente y actuar antes de que se produzca.