La superposición cuántica trasciende el mundo de las partículas elementales

La superposición cuántica ocurre en la naturaleza cuando una partícula elemental posee simultáneamente dos o más estados, como pasa por ejemplo con los fotones, que pueden permanecer en dos lugares diferentes al mismo tiempo, algo inimaginable en el mundo físico ordinario.

Esta propiedad se ha observado también en otras partículas, como los electrones o neutrones, en los átomos o incluso en pequeñas moléculas, según ha ido descubriendo la ciencia.

Este recorrido ha llevado a los científicos a preguntarse dónde está la frontera entre el mundo cuántico y lo que llamamos el mundo real, cuándo una partícula deja de ser cuántica y se somete a las leyes físicas conocidas.

Es decir, qué tiene que ocurrir para que en determinado momento de la arquitectura de la realidad, la materia adquiera las características físicas que nos permiten estudiarla, conocerla y desentrañarla, comprender su dinámica natural, tal como hacemos con la materia.

Una nueva investigación desarrollada ahora entre la Universidad de Viena (Austria) y la Universidad de Basilea (Suiza) ha dado un paso significativo en dirección a determinar cuándo el mundo cuántico empieza a comportarse como el mundo que conocemos en la vida cotidiana.

Molécula gigante y cuántica

Esta investigación, pilotada por Markus Arndt, ha llevado por primera vez a una molécula de casi 2.000 átomos, construida con una mezcla sintética de elementos, a una superposición “cuántica” y conseguido que esté en dos estados diferentes a la vez, tal como hacen los fotones, que son partículas sin masa.

Para conseguirlo los investigadores construyeron un interferómetro especial, que les permitió incluso conseguir la superposición con una de las moléculas más grandes, compuesta por más de 40.000 protones, neutrones y electrones, con una longitud de onda (De Broglie) mil veces más pequeña que el diámetro de un solo átomo de hidrógeno.

Los científicos observaron la superposición de estados de estas moléculas cuando las introdujeron dentro de un tubo de 5 metros de largo y las impulsaron hacia adelante: cuando llegaron al final del túnel, se comportaron como hacen los fotones en el conocido experimento de Young o de la doble rendija.

Este experimento marcó otra época en la historia de la física cuántica:  aunque fue concebido en 1801, mucho antes de la revolución cuántica, por el científico Thomas Young, para analizar la naturaleza corpuscular u ondulatoria de la luz, fue especialmente válido mucho después para demostrar la dualidad onda-partícula de la mecánica cuántica.

Así se pudo determinar que los electrones, protones o neutrones, producen patrones de interferencia similares a los obtenidos cuando el experimento de Young se realiza con luz (fotones).

Nuevo capítulo

La nueva investigación añade un nuevo capítulo a esta historia, al determinar que una molécula del tamaño de una proteína se comporta también como la luz, los electrones, los protones o los neutrones. Es decir, existe en parte en todos sus teóricamente posibles estados de forma simultánea.

Moléculas complejas calientes, compuestas de hasta 25.000 masas atómicas, pueden alcanzar entonces la superposición cuántica y comportarse como lo hacen las partículas elementales. La diferencia entre mundo cuántico y mundo físico se ha reducido en este experimento.

El experimento imaginario ideado por Schrödinger en 1935 se queda corto para explicar este nuevo descubrimiento: es como si en vez de un gato vivo y muerto a la vez, habláramos de una galaxia que aparece y desaparece de la observación astronómica y nos impide determinar si realmente está en alguna parte del universo o solo en un espacio intermitente.

Porque estos descubrimientos cuánticos nos hablan no sólo de partículas elementales, sino también de galaxias, cúmulos o del Big Bang, así como del microondas, de nuestro ordenador personal o de nuestro móvil, incluso de las células de nuestro cuerpo, todos ellos productos del desconcertante mundo cuántico que sostiene y cobija a todo el universo.

Referencia

Quantum superposition of molecules beyond 25 kDa. Yaakov Y. Fein et al. Nature Physics (2019).DOI: https://doi.org/10.1038/s41567-019-0663-9