Realizan con seis fotones el experimento del gato de Schrödinger

Un equipo internacional de físicos ha conseguido generar en laboratorio la intricación cuántica de seis fotones, realizando así el experimento de pensamiento conocido como gato de Schrödinger.

El término intricación cuántica designa el hecho de que toda pareja o grupo de objetos cuánticos puede ponerse en una superposición de estados. Cada uno de estos estados describe muchos objetos a la vez, cuyas propiedades están vinculadas: si un objeto está en un cierto estado, determina en parte el estado de otro objeto.

El físico Erwin Schrödinger trató de explicar la intricación cuántica y la superposición de estados de una forma tan sencilla como inquietante: en una caja cerrada y opaca se mete un gato, una botella de gas venenoso, un átomo radioactivo con un 50% de probabilidades de desintegrarse y un dispositivo que, de desintegrarse la partícula, rompería la botella, produciendo la muerte del gato por envenenamiento.

Por tanto, el destino del gato dependía de un solo átomo que actuaría según la mecánica cuántica, por lo que todo el sistema estaría sometido a sus leyes. La llamada “interpretación de Copenhague” señala que estas leyes funcionan de la siguiente manera: mientras no abramos la caja, el gato está a un tiempo muerto y vivo y que sólo la acción de abrir la caja y observarlo reduce las probabilidades a una de ellas.

El rato en que el gato puede estar vivo o muerto es lo que se denomina una “superposición de estados” o superposición cuántica. Se trata de un estado evidentemente paradójico, pero que refleja el funcionamiento de la materia a escala subatómica.

Experiencias de laboratorio

Estos experimentos de pensamiento son en la actualidad meras experiencias de laboratorio que se desarrollan en la frontera de la mecánica cuántica. Abordan varios conceptos como la decoherencia y la “no localidad”, funciones que, según Roger Penrose, podrían estar implicadas incluso en el funcionamiento cerebral.

Sin embargo, la aplicación más práctica que puede derivarse de la superposición de estados es el hipotético desarrollo de ordenadores cuánticos, con unas capacidades de tratamiento de la información muy superiores a la de los ordenadores actuales y con unas garantías de seguridad absolutas.

La criptografía cuántica, a la que ya nos hemos referido, así como la teletransportación cuántica, de la que también hemos hablado, y los ordenadores cuánticos, son los desarrollos más significativos asociados a estos experimentos.

Del bit al qubit

En el caso de los ordenadores cuánticos, las aplicaciones de los estados superpuestos podrían ser espectaculares: de la representación de la información en cadenas de bits (unidades binarias de información) de los ordenadores clásicos, se pasaría a la representación cuántica de la información con los qubits (unidades que aúnan muchas más posibilidades de información que los bits), que permitirían almacenar y transmitir la información de una forma sin precedentes en la industria informática, pudiendo realizar un trabajo en paralelo que resulta imposible con los ordenadores actuales.

Un qubit representa una superposición de los bits 0,1 que se realiza en un mundo estrictamente cuántico, ya que en nuestro mundo clásico tal superposición se reduce necesariamente a uno de sus componentes 0, 1, con probabilidades respectivas que dependen del estado cuántico en cuestión (el famoso “colapso” del estado cuántico que se produce al medir el mismo o el momento en que se abre la caja del gato).

La existencia de qubits, junto al hecho de que dos o más de éstos puedan combinarse en los llamados estados superpuestos, abre un abanico de posibilidades en el dominio de la información, aunque la realidad es que los ordenadores cuánticos aún son una posibilidad muy remota, por problemas explicados en otro artículo de esta revista.

Un paso adelante

El científico Chao-Yang Lu y sus colegas de la University of Science and Technology de China, que han trabajado en colaboración con universidades austriacas y alemanas, quizá haya dado un paso adelante hacia la consecución de este tipo de informática cuántica.

Con el paso del tiempo, los físicos han descubierto que los estados cuánticos entrelazados (en los que varias partículas cuánticas se involucran de forma íntima), pueden analizarse de una manera eficaz con lo que se denominan “gráficos de estado”.

Se trata de gráficos matemáticos cuyos vértices representarían el espín de los sistemas cuánticos y cuyos bordes reflejarían las interacciones entre estos espines o momentos angulares de las partículas subatómicas.

Estos gráficos han servido al científico Lu y a sus colaboradores para representar una situación del tipo “gato de Schröedinger”, es decir, de superposición de estados cuánticos, pero con seis fotones, lo que supone todo un récord.

Futura experimentación

Los científicos siguieron una técnica con la que « bombearon » fotones en un cristal con la ayuda de un láser de luz ultra-violeta. Estos fotones tienen la propiedad de desintegrarse espontáneamente, dividiéndose a su vez en dos fotones intricados.

Tomando tres pares de estos fotones, y utilizando haces de luz para separarlos, se puede obtener diversos estados intricados de seis fotones, que permanecen polarizados en estado horizontal o vertical (similares al estado de “vivo” o “muerto” del gato de Schröedinger).

Según explican Lu y sus colegas en un artículo, los investigadores consiguieron por tanto realizar diversos tipos de estados intricados con los seis fotones, como el estado en racimo o el estado Greenberger-Horne-Zeilinger.

Asimismo, señalan que ligeras modificaciones en su método permitirían la creación de otros muchos estados gráficos. La importancia de esta posibilidad de variación radica en que se pueden generar diversos entrelazamientos de seis fotones, así como estados gráficos multiqubit, que servirían como dispositivo de experimentación para el desarrollo de la computación cuántica.