Los gatitos de Schrödinger nunca han sido muy lindos, y la última camada no es una excepción. Es poco probable que las imágenes de nubes nebulosas de átomos ultracoldados o tiras microscópicas de silicio se vuelvan virales en Internet. De todos modos, vale la pena prestar atención a estos objetos exóticos, porque muestran con una claridad sin precedentes que la mecánica cuántica no es solo la física de lo extremadamente pequeño.

Los»gatitos de Schrödinger», en términos generales, son objetos de tamaño medio entre la escala atómica, que la mecánica cuántica se desarrolló originalmente para describir, y el gato que Erwin Schrödinger invocó para resaltar el aparente absurdo de lo que esa teoría parecía implicar. Estos sistemas son «mesoscópicos», tal vez del tamaño de virus o bacterias, compuestos de muchos miles o incluso miles de millones de átomos, y por lo tanto mucho más grandes que las escalas típicas en las que suelen aparecer propiedades cuánticas-mecánicas contraintuitivas. Están diseñados para sondear la pregunta: ¿Qué tan grande se puede obtener mientras se conservan esas propiedades cuánticas?

Para juzgar por los últimos resultados, la respuesta es: bastante grande. Dos tipos distintos de experimentos, ambos llevados a cabo por varios grupos de forma independiente, han demostrado que un gran número de átomos se pueden colocar en estados cuánticos colectivos, donde no podemos decir definitivamente que el sistema tenga un conjunto de propiedades u otro. En un conjunto de experimentos, esto significaba «enredo» de dos regiones de una nube de átomos fríos para hacer que sus propiedades son interdependientes y se correlaciona de una manera que parece omiso de su separación espacial. En el otro, los objetos vibrantes microscópicos se maniobraban en las llamadas superposiciones de estados vibracionales. Ambos resultados son vagamente análogos a la forma en que el gato infame de Schrödinger, mientras estaba escondido en su caja, se decía que estaba en una superposición de estados vivos y muertos.

La pregunta de cómo las reglas de la mecánica cuántica se convierten en reglas aparentemente muy diferentes de la mecánica clásica, donde los objetos tienen propiedades, posiciones y caminos bien definidos, ha desconcertado a los científicos desde que la teoría cuántica se desarrolló por primera vez a principios del siglo XX. ¿Hay alguna diferencia fundamental entre objetos clásicos grandes y objetos cuánticos pequeños? Este enigma de la llamada transición cuántico-clásica fue destacado de manera icónica por el experimento mental de Schrödinger.

El pobre gato es una bestia incomprendida. El punto de Schrödinger no era, como a menudo se insinúa, el aparente absurdo de la mecánica cuántica si se extrapola a la escala cotidiana. El gato fue el producto de la correspondencia entre Schrödinger y Albert Einstein, después de que Einstein criticara la interpretación de la mecánica cuántica defendida por el físico danés Niels Bohr y sus colegas.

Bohr argumentó que la mecánica cuántica parece obligarnos a concluir que las propiedades de los objetos cuánticos como los electrones no tienen valores bien definidos hasta que los medimos. Para Einstein, parecía una locura que algún elemento de la realidad dependiera de nuestra intervención consciente para hacerla realidad. Con dos colegas más jóvenes, Boris Podolsky y Nathan Rosen, presentó un experimento mental en 1935 que parecía hacer imposible esa interpretación. Los tres (cuyo trabajo ahora se conoce con la etiqueta colectiva EPR) notaron que las partículas se pueden crear en estados que deben correlacionarse entre sí, en el sentido de que si una de ellas tiene un valor particular para alguna propiedad, la otra debe tener algún otro valor particular. En el caso de dos electrones, que tienen una propiedad llamada espín, un espín puede apuntar «hacia arriba» mientras que el espín del otro electrón apunta «hacia abajo».»

En ese caso, según Einstein y sus colegas, si Bohr tiene razón y las direcciones reales de los giros son indeterminadas hasta que los midas, entonces la correlación de los dos giros significa que medir uno de ellos fija instantáneamente la orientación del otro, sin importar cuán lejos esté la partícula. Einstein llamó a esta conexión aparente «acción espeluznante a distancia».»Pero tal fenómeno debería ser imposible, porque la teoría de la relatividad especial de Einstein muestra que ninguna influencia puede propagarse más rápido que la luz.

Schrödinger llamó a esta correlación entre las partículas «entrelazamiento».»Los experimentos realizados desde la década de 1970 han demostrado que es un fenómeno cuántico real. Pero esto no significa que las partículas cuánticas puedan de alguna manera influenciarse unas a otras instantáneamente a través del espacio a través de la acción espeluznante de Einstein. Es mejor decir que las propiedades cuánticas de una sola partícula no se determinan necesariamente en un lugar fijo en el espacio, sino que pueden ser «no locales»: se especifican completamente solo en relación con otra partícula en otro lugar, de una manera que parece socavar nuestra noción intuitiva de espacio y distancia.

El gato de Schrödinger surgió de sus reflexiones sobre las peculiaridades del enredo del EPR. Schrödinger quería mostrar cómo la noción de Bohr de que nada se fija hasta que se mide podría llevar al absurdo lógico si imagináramos un enredo volador hasta el tamaño cotidiano. Su experimento mental coloca al desafortunado gato en una caja cerrada con un frasco de veneno letal, que puede abrirse por algún mecanismo que lo vincula a, de hecho, lo enreda con, una partícula cuántica o evento. El gatillo podría provenir de un electrón, rompiendo el vial si tiene giro hacia arriba, pero no si tiene giro hacia abajo. A continuación, puede preparar el electrón en una llamada superposición de estados, en la que tanto el espín ascendente como el espín descendente son posibles resultados de una medición. Pero si el giro es indeterminado antes de la medición, entonces también debe ser el estado del gato: no hay manera de que pueda decir de manera significativa si está vivo o muerto. Y eso es sin duda absurdo.

El punto de Schrödinger no era simplemente que las reglas cuánticas conducen a aparentes tonterías cuando se aplican en la escala cotidiana, no se necesita un gato para eso. Más bien, quería encontrar una demostración extrema de cómo aplazar cualquier asignación de un estado definido (vivo o muerto) hasta que se haya hecho la medición (abriendo la caja para mirar) podría llevar a implicaciones que parecen no solo extrañas sino lógicamente prohibidas.

Para Bohr esto habría parecido un escenario inválido: la medición, como abrir la caja y mirar al gato, siempre fue para él un proceso macroscópico y, por lo tanto, un proceso clásico, por lo que las reglas cuánticas ya no se aplicarían. Pero entonces, ¿cómo asegura la medición esa transformación mágica de cuántica a clásica?

En lugar de discutir sobre ello, ¿por qué no hacer el experimento? El problema es que, si bien estaba muy bien para Schrödinger imaginar hacer un gato «cuántico» al acoplarlo a algún evento a escala atómica, no está del todo claro cómo, o de hecho si, podemos hacer ese aumento en la práctica, o de hecho qué podría significar una superposición de vivos y muertos en términos de estados cuánticos.

Pero con técnicas modernas, podemos imaginar crear superposiciones cuánticas bien definidas de objetos relativamente grandes, no tan grandes como los gatos, pero mucho más grandes que los átomos solitarios, y sondear sus propiedades. De esto se tratan los esfuerzos para crear los gatitos de Schrödinger.

«Muchos físicos realmente no esperan sorpresas a gran escala», dijo Simon Gröblacher de la Universidad Tecnológica de Delft en los Países Bajos. «Pero simplemente no se sabe qué pasará si empiezas a hacer estados cuánticos con alrededor de 1023 átomos», que es la escala típica de los objetos cotidianos.

Los nuevos experimentos muestran que, a pesar de lo que Schrödinger pensaba, los objetos relativamente grandes pueden exhibir un comportamiento cuántico contraintuitivo.

Gröblacher y sus colegas crearon microgramas de silicio, cada uno de 10 micrómetros de largo y 1 por 0,25 micrómetros de sección transversal. Cada uno presentaba agujeros a lo largo de los haces que absorbían y atrapaban la luz láser infrarroja. Luego, los investigadores excitaron esos haces con luz enviada en una superposición de caminos, uno a cada haz. Al hacerlo, pudieron enredar dos haces en un solo estado vibracional cuántico. Se podría pensar en él como el equivalente muy pequeño de dos gatos enredados.

Otro tipo de enredo entre osciladores mecánicos fue reportado, en documentos consecutivos con el equipo de Gröblacher en Nature, por Mika Sillanpää de la Universidad Aalto en Finlandia y sus colegas. Acoplaron dos láminas de metal microscópicas con forma de cabeza de tambor a través de un cable superconductor. El cable puede contener una corriente eléctrica oscilando a frecuencias de microondas (aproximadamente 5 mil millones de vibraciones por segundo); su campo electromagnético ejerce una presión sobre las placas vibratorias. «Los campos electromagnéticos actúan como una especie de medio que fuerza a las dos cabezas de tambor al estado cuántico enredado», dijo Sillanpää.

Los investigadores han buscado durante mucho tiempo lograr efectos cuánticos como la superposición y el entrelazamiento en osciladores micromecánicos «grandes» como estos, que tienen miles de millones de átomos en ellos. «Los estados enredados de los osciladores mecánicos se han discutido teóricamente desde finales de la década de 1970, pero solo en los últimos años ha sido técnicamente posible crear tales estados», dijo Sillanpää.

Lo que hace que estos experimentos sean tan fuertes es que evitan el proceso que generalmente transforma objetos grandes de aquellos gobernados por reglas cuánticas en otros que obedecen a la física clásica. Este proceso parece proporcionar la parte que falta (al menos, la mayor parte) del rompecabezas de la medición, que Bohr dejó tan locamente vago.

Se llama decoherencia — y, de manera bastante ordenada, se trata de entrelazamiento. Según la mecánica cuántica, el entrelazamiento es un resultado inevitable de cualquier interacción entre dos objetos cuánticos. Así que si un objeto, un gato, por ejemplo, comienza en una superposición de estados, esa superposición, esa cantidad, se podría decir, se propaga a medida que el objeto interactúa con su entorno y se enreda cada vez más con él. Pero si realmente quieres observar la superposición, necesitarás deducir el comportamiento cuántico de todas las partículas enredadas. Esto rápidamente se vuelve imposible, de la misma manera que se vuelve imposible rastrear todos los átomos en una gota de tinta a medida que se dispersa en una piscina. Debido a la interacción con el medio ambiente, la naturaleza cuántica de la partícula original se escapa y se dispersa. Eso es incoherencia.

Los teóricos cuánticos han demostrado que la decoherencia da lugar al tipo de comportamiento visto en la física clásica. Y los experimentadores lo han demostrado en experimentos que pueden controlar la tasa de decoherencia, donde los efectos cuánticos característicos, como la interferencia de ondas de partículas, desaparecen gradualmente a medida que avanza la decoherencia.

La decoherencia, entonces, es central para la comprensión actual de la transición cuántico-clásica. La capacidad de un objeto para mostrar un comportamiento cuántico, como interferencias, superposiciones y correlaciones inducidas por entrelazamiento, no tiene nada que ver con su tamaño. En cambio, depende de lo enredado que esté con su entorno.

Sin embargo, el tamaño generalmente juega un papel, porque cuanto más grande es un objeto, más fácilmente puede enredarse con su entorno y decohere. Un objeto grande, cálido e inquieto como un gato no tiene la esperanza de permanecer en una superposición mecánica cuántica de ningún tipo y se decohere más o menos instantáneamente.

Si simplemente metes un gato en una caja y vinculas su destino al resultado de algún evento cuántico, no es probable que lo pongas en una superposición de vivo y muerto, porque la decoherencia lo forzará casi instantáneamente a un estado u otro. Si pudiera suprimir la decoherencia eliminando toda interacción con el entorno (¡sin matar al gato en un vacío ultracélido!- bueno, entonces es otra historia y los argumentos persisten. Es casi imposible imaginar cómo lograr eso para un gato. Pero eso es, en esencia, lo que los equipos de Gröblacher y Sillanpää han logrado con sus pequeños osciladores.

En lugar de trabajar hacia el límite cuántico clásico de arriba hacia abajo, viendo si podemos conjurar cuántica en un objeto vibrante cuando es lo suficientemente pequeño, podemos llegar a él de abajo hacia arriba. Dado que sabemos que los efectos cuánticos, como la superposición y la interferencia, se ven fácilmente en átomos individuales e incluso en moléculas pequeñas, podríamos preguntarnos hasta dónde pueden sostenerse esos efectos a medida que agregamos más átomos. Tres equipos han explorado esta cuestión, logrando estados cuánticos para nubes de hasta decenas de miles de átomos ultracoldados enredándolos en un estado llamado condensado de Bose-Einstein (BEC).

Einstein y el físico indio Satyendra Nath Bose señalaron que tal estado puede existir entre los bosones (llamados así por Bose), una de las dos clases generales de partículas fundamentales. En un BEC, todas las partículas están en el mismo estado cuántico único, lo que significa que en efecto actúan como un gran objeto cuántico. Debido a que es un efecto cuántico, la condensación de Bose-Einstein ocurre solo a temperaturas muy bajas, y un BEC solo se vio en su forma más pura, una nube de partículas bosónicas, en 1995, en átomos de rubidio enfriados a solo unas mil millonésimas de grado por encima del cero absoluto.

Los BECs hechos de tales átomos ultracoldados han dado a los físicos un nuevo medio para investigar fenómenos cuánticos. En el pasado, los investigadores han demostrado que una nube de este tipo, tal vez varios miles de átomos, se puede colocar en un estado en el que todos los átomos están entrelazados cuánticamente.

Estos no son estrictamente gatitos de Schrödinger, dijo Carsten Klempt de la Universidad Leibniz de Hannover en Alemania. Estos se definen generalmente como superposiciones de estados que son tan diferentes como podrían ser: por ejemplo, todos con giro ascendente y todos con giro descendente (análogos a «vivos» y «muertos»). Ese no es el caso en estas nubes enredadas de átomos. Sin embargo, todavía muestran un comportamiento cuántico a una escala relativamente grande.

Hay una condición más importante, sin embargo, a la idea de que son encarnaciones a «escala de gatito» de entrelazamiento al estilo EPR. Los átomos están todos mezclados en el espacio y son idénticos e indistinguibles. Esto significa que, incluso si están enredados, no se puede ver en términos de una correlación entre la propiedad de un objeto aquí y otro allá. «Los condensados de Bose-Einstein de átomos ultracoldados consisten en grandes conjuntos de átomos indistinguibles, literalmente iguales en cualquier observable físico», dijo Klempt. «Por lo tanto, la definición original de enredo no se puede realizar en ellos.»De hecho, todo el concepto de entrelazamiento entre partículas indistinguibles ha sido teóricamente disputado. «Esto se debe a que la noción de entrelazamiento requiere la posibilidad de definir los subsistemas que están enredados entre sí», dijo Philipp Kunkel de la Universidad de Heidelberg en Alemania.

Un tipo de enredo mucho más claro, directamente análogo al enredo de las partículas separadas espacialmente en el experimento mental EPR, ahora se ha demostrado en tres experimentos separados por el equipo de Klempt en Hannover, el grupo de Kunkel (dirigido por Markus Oberthaler) en Heidelberg, y un equipo dirigido por Philipp Treutlein en la Universidad de Basilea en Suiza. «El conflicto con la física clásica es particularmente sorprendente cuando se observa el entrelazamiento entre tales sistemas espacialmente separados», dijo Treutlein. «Esta es la situación que considera el documento EPR de 1935.»

Los tres grupos utilizaron nubes de cientos a miles de átomos de rubidio retenidos en campos de atrapamiento electromagnético (producidos por dispositivos microscópicos en un «chip atómico» o generados por rayos láser cruzados). Los investigadores utilizaron láseres infrarrojos para excitar las transiciones cuánticas en los giros de los átomos y buscaron las correlaciones entre los valores de giro que son el signo revelador de entrelazamiento. Mientras que los grupos de Heidelberg y Basilea abordaron dos regiones diferentes en una sola nube grande, el grupo de Klempt en realidad dividió la nube insertando una región de espacio vacío en el medio.

Los grupos de Basilea y Heidelberg demostraron el entrelazamiento a través de un efecto llamado dirección cuántica, en el que se explota la aparente interdependencia de las dos regiones enredadas para que las mediciones realizadas en una de ellas permitan a los investigadores predecir las mediciones de la otra. «El término ‘dirección’ fue introducido por Schrödinger», explicó Treutlein. «Se refiere al hecho de que, dependiendo del resultado de la medición en la región A, el estado cuántico que usamos para describir el sistema B cambia.»Pero esto no implica que haya ninguna transferencia instantánea de información o comunicación entre A y B.» No se puede dirigir el estado del sistema distante de manera determinista, ya que el resultado de la medición sigue siendo probabilístico», dijo Kunkel. «No hay influencia causal.»

Estos resultados son «muy emocionantes», dijo Jens Eisert, de la Universidad Libre de Berlín, que no participó en el trabajo. «El enredo en vapores atómicos se ha generado mucho antes», dijo, » pero lo que es diferente aquí son los niveles de direccionabilidad y control en estos sistemas.»

Aparte de la demostración más clara del entrelazamiento cuando existe entre regiones separadas espacialmente, también hay una ventaja práctica de hacer las cosas de esta manera: Puede abordar las regiones separadas individualmente para el procesamiento de información cuántica. «No es posible, ni siquiera en principio, abordar átomos individuales en el BEC sin afectar a todos los demás átomos, si todos están en la misma ubicación», dijo Treutlein. «Sin embargo, si podemos abordar individualmente las dos regiones separadas espacialmente, el entrelazamiento estará disponible para tareas de información cuántica como teletransportación cuántica o intercambio de entrelazamiento.»Eso, sin embargo, requerirá que la separación física de las nubes se incremente más allá de lo que se hizo en los experimentos actuales, agregó. Idealmente, dijo Klempt, dividirías la nube aún más en átomos direccionables individualmente.

Objetos cuánticos»grandes» como estos también podrían permitirnos explorar nuevas físicas: para averiguar, por ejemplo, qué sucede cuando la gravedad comienza a convertirse en una influencia significativa en el comportamiento cuántico. «Con esta nueva forma de controlar y manipular grandes estados enredados, podría haber espacio para pruebas sofisticadas de efectos cuánticos en teorías gravitacionales», dijo Eisert. Se ha propuesto, por ejemplo, que los efectos gravitacionales podrían inducir un colapso físico de los estados cuánticos en estados clásicos, una idea que en principio es susceptible de experimentar en superposiciones o estados enredados de grandes masas. Treutlein dijo que una forma de probar modelos de colapso físico implica interferencia entre distintas «ondas de materia» atómicas, y, agregó, el BEC dividido y enredado de su grupo puede actuar como un interferómetro atómico. «La mayoría de los físicos probablemente no esperarán un colapso repentino de la física cuántica» a medida que aumenta el tamaño del sistema, dijo Klempt. Pero Kunkel agregó que » todavía es una pregunta abierta, experimental y teóricamente, si hay un límite fundamental al tamaño de los objetos que pueden enredarse entre sí.»

«La pregunta más interesante es si hay un tamaño fundamental en el que uno no puede en algún sentido enredarse», dijo Sillanpää. «Eso significaría que algo más, además de la mecánica cuántica normal, entra en escena, y esto podría ser, por ejemplo, el colapso debido a la gravedad.»Si la gravedad juega un papel, eso podría ofrecer algunas pistas sobre cómo desarrollar una teoría de la gravedad cuántica que una las teorías actualmente incompatibles de la mecánica cuántica y la relatividad general.

Eso sería un golpe de estado para los gatitos de Schrödinger. Por ahora, refuerzan la creencia general de que no hay nada especial en el comportamiento cuántico, más allá del hecho de que se convierte en la cuna de un gato cada vez más enredado de la que emerge nuestra clásica red. Y ningún gato necesita morir en el proceso.