Investigadores del Reino Unido y la India han propuesto un protocolo para probar la naturaleza cuántica de objetos grandes (que, en principio, podría funcionar para objetos de cualquier masa). Una característica clave del protocolo es que evita la necesidad de crear un estado cuántico macroscópico para probar si la mecánica cuántica es válida o no a gran escala. Algunos físicos, sin embargo, no están convencidos de que la investigación constituya un avance significativo.

La mecánica cuántica hace un trabajo fantástico al describir átomos, moléculas y partículas subatómicas como los electrones. Sin embargo, los objetos más grandes no suelen mostrar un comportamiento cuántico como el entrelazamiento y la superposición. Esto puede explicarse en términos de decoherencia cuántica, que se produce cuando estados cuánticos delicados interactúan con entornos ruidosos. Esto hace que los sistemas macroscópicos se comporten según la física clásica.

Cómo se descompone la mecánica cuántica a escalas macroscópicas no sólo es teóricamente fascinante sino también crucial para los intentos de desarrollar una teoría que reconcilie la mecánica cuántica con la teoría general de la relatividad de Albert Einstein. Por ello, los físicos están interesados ​​en observar el comportamiento cuántico en objetos cada vez más grandes.

Desafío formidable

Crear estados cuánticos macroscópicos y preservarlos el tiempo suficiente para observar su comportamiento cuántico es un desafío formidable cuando se trata de objetos mucho más grandes que átomos o moléculas atrapados en una trampa. De hecho, el entrelazamiento cuántico de parches macroscópicos vibrantes (cada uno de 10 micrones de tamaño) por parte de dos grupos independientes, uno en Estados Unidos y otro en Finlandia, fue elegido como Mundo de la física avance del año 2021 por la destreza experimental de los equipos.

El nuevo protocolo está inspirado en la desigualdad de Leggett-Garg. Se trata de una modificación de la desigualdad de Bell, que evalúa si dos objetos están entrelazados mecánicamente cuánticamente a partir de la correlación entre las mediciones de sus estados. Si se viola la desigualdad de Bell, las mediciones están tan bien correlacionadas que, si sus estados fueran independientes, la información habría tenido que viajar más rápido que la luz entre los objetos. Como se cree que la comunicación superluminal es imposible, una violación se interpreta como evidencia de entrelazamiento cuántico.

La desigualdad de Leggett-Garg aplica el mismo principio a mediciones secuenciales del mismo objeto. Primero se mide una propiedad del objeto de una manera que, si se trata de un objeto clásico (no cuántico), no sea invasiva. Posteriormente se realiza otra medición. Si el objeto es una entidad clásica, entonces la primera medición no altera el resultado de la segunda medición. Sin embargo, si el objeto es definido por una función de onda cuántica, el mismo acto de medición lo perturbará. Como resultado, las correlaciones entre mediciones sucesivas pueden revelar si el objeto obedece a la mecánica clásica o cuántica.

Nanocristal oscilante

En 2018, el físico teórico Sougato Bosé del University College London y sus colegas propusieron realizar una prueba de este tipo en un nanocristal enfriado que oscila hacia adelante y hacia atrás en una trampa de armónicos ópticos. La posición del nanocristal se determinaría enfocando un haz de luz en un lado de una trampa. Si la luz pasa sin dispersarse, el objeto está al otro lado de la trampa. Al observar más adelante el mismo lado de la trampa, se puede calcular si se viola o no la desigualdad de Leggett-Garg. Si es así, una no detección inicial del objeto habría perturbado su estado cuántico y, por lo tanto, el nanocristal mostraría un comportamiento cuántico.

El problema, dice Bose, es que la masa debe medirse dos veces en el mismo lado de la trampa. Esto sólo es viable para masas con períodos cortos de oscilación porque el estado cuántico debe permanecer coherente durante toda la medición. Sin embargo, grandes masas de interés tendrán períodos demasiado largos para que esto funcione. Ahora, Bose y sus colegas proponen que la segunda medición se realice en un lugar que, si el objeto obedece a la mecánica clásica, se espera que haya alcanzado.

"Es mucho mejor ir al lugar donde iría debido a su oscilación normal y descubrir en qué se diferencia de ese lugar", dice Bose.

El beneficio de este esquema es que, siempre que el objeto permanezca en un estado coherente, debería ser posible realizar el experimento con objetos de cualquier masa, ya que siempre es posible calcular la posición esperada de un oscilador armónico clásico. Se vuelve más difícil aislar objetos más grandes, pero Bose cree que estos estados aparentemente clásicos serían más resistentes al ruido que los estados cuánticos macroscópicos exóticos, como las superposiciones.

Evolución del sistema de seguimiento

físico cuántico Vlatko Vedral de la Universidad de Oxford está de acuerdo en que el enfoque de los investigadores podría ofrecer beneficios sobre los experimentos que intentan utilizar estados cuánticos macroscópicos espacialmente separados. Sin embargo, dice que “lo que se vuelve importante en estas mediciones no es tanto el estado inicial sino la secuencia de mediciones que se realizan”, y que seguir la evolución del sistema después de la primera medición para que se revelen las correlaciones “no es un problema trivial en absoluto”.

También se muestra escéptico ante la afirmación de una independencia masiva. "No sé qué tan fácil es lograr esto en la práctica", dice, "pero simplemente está correlacionado con el tamaño, porque cuantos más subsistemas tenga, más fugas tendrá al medio ambiente".

Tony Leggett (quien codesarrolló la desigualdad en la década de 1980 con Anupam Garg) es un experto en los fundamentos de la mecánica cuántica que compartió el Premio Nobel de 2003 por su trabajo sobre la superconductividad y los superfluidos. Ahora, profesor emérito de la Universidad de Illinois, ve otro problema en el trabajo de Bose y sus colegas. "Está muy claro que estos investigadores están convencidos de que la mecánica cuántica seguirá funcionando; yo no estoy tan seguro", afirma.

Leggett señala, sin embargo, que la evidencia de la falla de la mecánica cuántica sería interpretada por la mayoría de la comunidad física como el resultado de la decoherencia, que podría ser causada por una medición invasiva. A diferencia de los experimentos en estados conocidos, de los que ha formado parte, dice que Bose y sus colegas no presentan un medio para probar cuán invasiva es su medición, por ejemplo, utilizando el mismo protocolo de medición en un conjunto diferente de estados.

La investigación se describe en un artículo que ha sido aceptado para su publicación en Physical Review Letters. A La preimpresión está disponible en arXiv.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/protocol-could-make-it-easier-to-test-the-quantum-nature-of-large-objects/