¿Qué mató al gato de Schrödinger?

La teoría cuántica nació hace un siglo, pero su desarrollo sigue en marcha, y todavía hay muchos aspectos que los científicos no entendemos. Este desconocimiento es más acentuado entre la población en general, pues desgraciadamente son más populares las charlatanerías cuánticas que los efectos cuánticos reales. Y esto debería ser chocante, porque, lo sepa la gente o no, vivimos inmersos en un mundo de aparatos electrónicos que funcionan porque la cuántica funciona, desde los semiconductores y los láser hasta las memorias y los discos duros basados en la magnetorresistencia gigante. Tenemos incluso tecnologías espectaculares que dependen muy explícitamente de efectos cuánticos, como son las resonancias magnéticas en los hospitales: esos aparatos tan chulos que te miran por dentro están midiendo transiciones cuánticas entre espines nucleares, en un campo magnético generado por un superconductor. Pero queda mucho por hacer, tanto en ciencia básica como en investigación y desarrollo, para desarrollar plenamente la nueva generación de tecnologías cuánticas, tales como la computación cuántica, la distribución cuántica de claves de cifrado o la metrología cuántica. Todas estas tecnologías se basan en la manipulación coherente de la función de onda y el concepto de sistema cuántico de dos estados o qubit.

Hay sistemas muy diferentes que pueden funcionar como qubits -unos estudiados por la Física, otros por la Química, y otros incluso por la Biología- pero no todos tienen las mismas prestaciones, y la competencia es feroz. Durante las últimas décadas, un gran número de físicos, incluyendo a gigantes como Haroche o Cirac, ha llevado a cabo experimentos en trampas de iones y cavidades resonantes y han mostrado el poder de la Física Atómica y de la Óptica, llevando a cabo operaciones cuánticas más allá de lo que era posible hacer con los sistemas estudiados por la Física del Estado Sólido, como son los puntos cuánticos basados en semiconductores, o los llamados SQUIDs (dispositivos superconductores de interferencia cuántica). Sin embargo, recientemente se han obtenido resultados tan espectaculares con experimentos basados en unos defectos cristalinos del diamante llamados «nitrógeno-vacante» en los que se ha reivindicado el potencial de los sistemas sólidos, en concreto, de aquellos estudiados por la Química y la Ciencia de Materiales. En los últimos años, el estudio de los efectos cuánticos está ganando interés incluso en la Biología, ya que se ha encontrado que una serie de procesos biológicos -desde la fotosíntesis en plantas a la navegación en pájaros- tienen relación con la coherencia cuántica. Esto tiene un gran interés, porque nos demuestra que los procesos cuánticos coherentes en sistemas complejos no sólo son construcciones teóricas de gran belleza, sino que son posibles en la práctica, hasta el punto de llegar a ser la solución escogida por la Evolución.

Uf, está quedando un poco denso. Hacemos una pausa y aprovecho para comentaros que (a) este texto es la traducción adaptada de la introducción que escribí recientemente para solicitar una ayuda de investigación al European Research Council y que (b) el gato que posó para la ilustración de arriba es un conocido al que llamo Intruso y, aunque no me deja que me acerque mucho, sí que le gusta jugar conmigo a cazar hierbajos y ramitas. Venga, retomamos.

Cualquiera que sea el hardware y la aplicación buscada, la clave para las tecnologías cuánticas está en efectos cuánticos fundamentales, tales como la creación de superposición cuántica, por ejemplo los llamados «estados-gato«, llamados así por el gato de Schrödinger, que en un famoso experimento mental estaba vivo y muerto a la vez hasta que un experimentador lo observaba. En sistemas reales, estos estados cuánticos son muy frágiles, en el sentido que, tras una interacción incontrolada con el entorno, pierden cualquier traza de superposición cuántica, sufriendo lo que se llama colapso de la función de onda. Como se indica en la figura superior, la superposición coherente entre dos estados cuánticos se rompe -por mecanismos no bien entendidos- durante la interacción descontrolada con el entorno. Y esa es la pregunta: ¿qué mató al gato de Schrödinger? ¿Qué mecanismo físico es el que acaba con el estado-gato?

De hecho, no solamente existe la superposición cuántica: también hablamos de correlaciones cuánticas y de entrelazamiento cuántico. En general, al fenómeno de pérdida de efectos cuánticos le llamamos decoherencia, y es un obstáculo muy grave para el desarrollo de aplicaciones. Y, además, la decoherencia cuántica también despierta un interés fundamental para la ciencia, ya que se ha postulado como explicación para cuestiones básicas tales como la flecha del tiempo (¿por qué el tiempo va hacia adelante y no hacia atrás?), la emergencia de la mecánica clásica a partir de la cuántica (¿por qué en realidad no vemos gatos que están en dos estados simultáneamente?) y el problema de la medida (¿qué es un observador, el gato se mide a sí mismo?). Es mucho lo que está en juego en la tarea de comprender la decoherencia cuántica. Controlar los procesos que gobiernan la decoherencia pondrá los cimientos de cualquier avance concebible en tecnologías cuánticas presentes o futuras, pero, como hemos visto, las cuestiones fundamentales que se ven afectadas también son formidables.