El principio de superposición cuántica ha sido probado en una escala como nunca antes en un nuevo estudio realizado por científicos de la Universidad de Viena en colaboración con la Universidad de Basilea. Caliente, moléculas complejas compuestas por casi dos mil átomos se llevaron a una superposición cuántica y se hicieron interferir. Al confirmar este fenómeno, "el corazón de la mecánica cuántica, "en palabras de Richard Feynman, en una nueva escala masiva, Se han impuesto restricciones mejoradas a las teorías alternativas a la mecánica cuántica. El trabajo será publicado en Física de la naturaleza .

¿Cuántico a clásico?

El principio de superposición es un sello distintivo de la teoría cuántica que surge de una de las ecuaciones más fundamentales de la mecánica cuántica, la ecuación de Schrödinger. Describe partículas en el marco de funciones de onda, cuales, como las olas del agua en la superficie de un estanque, puede presentar efectos de interferencia. Pero a diferencia de las olas del agua, que son un comportamiento colectivo de muchas moléculas de agua que interactúan, Las ondas cuánticas también se pueden asociar con partículas individuales aisladas.

Quizás el ejemplo más elegante de la naturaleza ondulatoria de las partículas es el experimento de la doble rendija, en el que la función de onda de una partícula pasa simultáneamente a través de dos rendijas e interfiere. Este efecto ha sido demostrado para fotones, electrones, neutrones, átomos e incluso moléculas, y plantea una pregunta con la que los físicos y los filósofos han luchado desde los primeros días de la mecánica cuántica:¿cómo estos extraños efectos cuánticos hacen la transición al mundo clásico con el que todos estamos familiarizados?

Enfoque experimental

Los experimentos de Markus Arndt y su equipo en la Universidad de Viena abordan esta cuestión de la manera más directa posible, es decir, mostrando interferencia cuántica con objetos cada vez más masivos. Las moléculas de los experimentos recientes tienen masas superiores a 25, 000 unidades de masa atómica, varias veces más grande que el récord anterior. Una de las moléculas más grandes enviadas a través del interferómetro, C707H260F908N16S53Zn4, está compuesto por más de 40, 000 protones, neutrones, y electrones, con una longitud de onda de De Broglie que es mil veces menor que el diámetro de un solo átomo de hidrógeno. Marcel Mayor y su equipo de la Universidad de Basilea utilizaron técnicas especiales para sintetizar moléculas tan masivas que eran lo suficientemente estables como para formar un haz molecular en vacío ultra alto. Probar la naturaleza cuántica de estas partículas también requirió un interferómetro de ondas de materia con una línea de base de dos metros de largo que se construyó expresamente en Viena.

Modelos cuánticos alternativos y macroscopicidad

Una clase de modelos que tiene como objetivo reconciliar la aparente transición de un régimen cuántico a uno clásico predice que la función de onda de una partícula colapsa espontáneamente con una tasa proporcional a su masa al cuadrado. Al mostrar experimentalmente que se mantiene una superposición para una partícula pesada durante un período de tiempo determinado, establece directamente límites sobre la frecuencia y la localización de un proceso de colapso de este tipo. En estos experimentos, las moléculas permanecieron en superposición durante más de 7 ms, el tiempo suficiente para establecer nuevos límites interferométricos en modelos cuánticos alternativos.

Se utiliza una medida generalizada llamada macroscopicidad para clasificar qué tan bien se descartan modelos alternativos mediante tales experimentos. y los experimentos de Fein et al. publicado en Física de la naturaleza de hecho representan un aumento de orden de magnitud en macroscopicidad. "Nuestros experimentos muestran que la mecánica cuántica, con toda su rareza, también es increíblemente robusto, y soy optimista de que los experimentos futuros lo probarán a una escala aún más masiva, "dice Fein. La línea entre lo cuántico y lo clásico es cada vez más borrosa.