El gato de Schrödinger es una paradoja famosa que se utiliza para ilustrar el concepto de superposición -la capacidad de que dos estados opuestos existan simultáneamente- e impredecibilidad en la física cuántica. La idea es que un gato sea colocado en una caja sellada con una fuente radioactiva y un veneno que se activará si un átomo de la sustancia radioactiva se descompone. La teoría de la superposición de la física cuántica sugiere que hasta que alguien abre la caja, el gato está a la vez vivo y muerto, una superposición de estados. Abrir la caja para observar al gato hace que la sustancia radiactiva cambie abruptamente su estado cuántico al azar, forzando al gato a estar definitivamente vivo o muerto.

El salto cuántico es el cambio aleatorio en el estado del átomo cuando se observa.

El experimento, realizado en el laboratorio del profesor Michel Devoret, se adentra por primera vez en el funcionamiento real de un salto cuántico. Los resultados revelan un sorprendente hallazgo que contradice la opinión del físico danés Niels Bohr comúnmente aceptada hasta ahora: los saltos no son ni abruptos ni tan aleatorios como se pensaba anteriormente.

Los enigmáticos saltos cuánticos fueron teorizados por Bohr hace un siglo, pero no se observaron hasta la década de 1980, en los átomos.

Para un objeto diminuto como un electrón, una molécula o un átomo artificial que contiene información cuántica (conocida como qubit), un salto cuántico es la transición repentina de uno de sus estados de energía a otro. En el desarrollo de los ordenadores cuánticos, los investigadores deben ocuparse fundamentalmente de los saltos espontáneos de los qubits, que se convierten en errores en los cálculos (e impiden hacer ordenadores cuánticos que funcionen realmente).

«Estos saltos ocurren cada vez que medimos un qubit», dijo Devoret, profesor de F.W. Beinecke de Física y Física Aplicada en Yale y miembro del Yale Quantum Institute. «Los saltos cuánticos son impredecibles a largo plazo.»

«A pesar de ello», añadió Minev, «queríamos saber si sería posible obtener una señal de aviso de que un salto está a punto de ocurrir de forma inminente».

Minev señaló que el experimento se inspiró en una predicción teórica del profesor Howard Carmichael de la Universidad de Auckland, pionero de la teoría de la trayectoria cuántica y coautor del estudio.

El equipo de Yale utilizó un enfoque especial para monitorear indirectamente un átomo artificial superconductor, con tres generadores de microondas irradiando el átomo encerrado en una cavidad 3D hecha de aluminio. El método de monitoreo doblemente indirecto, desarrollado por Minev para circuitos superconductores, permite a los investigadores observar el átomo con una eficiencia sin precedentes.

La radiación de microondas agita el átomo artificial al mismo tiempo que se observa, resultando en saltos cuánticos. La diminuta señal cuántica de estos saltos puede ser amplificada sin pérdida a temperatura ambiente. Aquí, su señal puede ser monitoreada en tiempo real. Esto permitió a los investigadores ver una repentina ausencia de fotones de detección (fotones emitidos por un estado auxiliar del átomo excitado por las microondas); esta pequeña ausencia es la advertencia previa de un salto cuántico.

«El hermoso efecto que muestra este experimento es el aumento de la coherencia durante el salto, a pesar de su observación», dijo Devoret. Añadió Minev, «Puedes aprovechar esto no sólo para saber cuándo se produce el salto, sino también para evitarlo».

Este es un punto crucial, señalaron los investigadores. Mientras que los saltos cuánticos parecen aleatorios a largo plazo, la posibilidad de evitar un salto cuántico significa que la evolución del estado cuántico posee, en parte, un carácter no aleatorio; el salto siempre ocurre de la misma manera, predecible desde su punto de partida aleatorio.

«Los saltos cuánticos de un átomo son algo análogos a la erupción de un volcán», dijo Minev. «Son completamente impredecibles a largo plazo. No obstante, con el seguimiento correcto podemos detectar con certeza un aviso previo de un desastre inminente y actuar en consecuencia antes de que ocurra.

El descubrimiento es un gran avance potencial en la comprensión y el control de la información cuántica. Los investigadores afirman que la gestión fiable de los datos cuánticos y la corrección de errores a medida que se producen es un reto clave en el desarrollo de ordenadores cuánticos realmente útiles.

El estudio que anuncia el descubrimiento aparece en la edición en línea del 3 de junio de la revista Nature.

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