¿Micro o macro? Ant-Man en "Captain America: Civil War " (2016)

Uno de los dos o tres lectores que aún sigue cayendo por aquí me ha hecho llegar la noticia publicada hace unos días por Investigación y Ciencia, con el titular "Demuestran el entrelazamiento cuántico entre objetos macroscópicos".

Esta noticia, que naturalmente es ahora mismo la que encabeza la sección de "Lo más leído" en la página web, es una traducción de la publicada por Davide Castelvecchi en Nature, cuyo titular en la versión digital (al menos cuando escribo esto) es "Minuscule drums push the limits of quantum weirdness". Así que, al parecer, algo "macroscópico" es también "minúsculo". Desde luego, muy grande no es: estamos hablando de unos pocos micrómetros, o sea, 0,001 milímetros. ¿En qué sentido puede ser esto macroscópico? Se puede argumentar, como hace la noticia, que el motivo es el gran número de átomos. Estamos acostumbrados a hablar de entrelazamiento cuántico en sistemas de unas pocas partículas, mientras aquí tenemos unos objetos de 70 picogramos, o sea, como 0,00000000007 gramos (¿tampoco parece mucho, verdad?), lo que teniendo en cuenta la masa de un átomo de aluminio, nos dice que tenemos del orden de un billón de átomos. Sin embargo, esto no es tan relevante como parece, ya que no estamos hablando de entrelazamiento entre los átomos. (Eso sería extraordinario: ya sabemos lo dfícil que es entrelazar entre sí unas pocas decenas de bits cuánticos). El entrelazamiento, en el artículo de Science al que se refiere la noticia de Nature e Investigación y Ciencia, no es entre átomos, sino entre las vibraciones colectivas (los fonones) de todos esos átomos, como un todo. Y en el experimento sólo se generan unos pocos fonones, así que, siguiendo el razonamiento anterior, el entrelazamiento no puede ser macroscópico en ningún sentido, ya que sólo implica a un pequeño número de partículas. El tamaño de esas pequeñas excitaciones cuánticas se puede estimar a partir de la frecuencia y la masa del oscilador. El resultado es aún más microscópico, aproximadamente 0,000000000000003 metros

Más aún, el comportamiento cuántico, y en particular la existencia de entrelazamiento cuántico, en objetos de tamaño micrométrico no es ninguna novedad: entre otros ejemplos, los bits superconductores cuánticos que forman los ordenadores cuánticos tienen un tamaño parecido. De nuevo, no se trata de que los átomos de los bits cuánticos estén entrelazados entre sí, sino que el bit cuántico como un todo presenta alguna propiedad, relacionada con las propiedades del campo electromagnético, con características genuinamente cuánticas. Conviene recordar que, para que esto suceda, se requieran condiciones muy particulares de laboratorio. En concreto, la temperatura en el experimento de Science es 0,007 grados Kelvin, es decir, -273,143 grados centígrados. Fresquito, ¿no?

En realidad, la auténtica novedad de este experimento publicado en Science se ve ya en el título "Direct observation of deterministic macroscopic entanglement", donde, como decimos siempre aquí, "observación" no se refiere a que haya un señor mirando fijamente, sino a un proceso de medida cuántica. La cuestión está en que la "observación" es directa, es decir, el entrelazamiento aparece en las mismas propiedades que se miden. Esta no tiene por qué ser siempre la situación: el entrelazamiento podría deducirse indirectamente de las medidas de otras propiedades. Por ejemplo, uno podría determinar completamente el estado de las partículas entrelazadas y después comprobar que es un estado con entrelazamiento cuántico, calculándolo con un ordenador. En el experimento del que estamos hablando, en cambio, las magnitudes medidas presentan fuertes correlaciones, señal "directa" de entrelazamiento cuántico.

La noticia de Investigación y Ciencia hace referencia a un segundo artículo publicado en el mismo número de Science, en el que "En palabras de Hoi-Kwan Lau, físico teórico de la Universidad Simon Fraser de Canadá que no participó en el trabajo, los autores «han usado la mecánica cuántica para "piratear" la mecánica cuántica»." Esta frase tan molona ha alarmado a mi lector, y es que, afortunadamente, aún hay lectores que no van en busca de una frase para hacerse una camiseta y subir la foto a Instagram, sino que tratan de entender algo. Bien, una vez más, no se ha pirateado la mecánica cuántica, igual que no se "rompió" por los amigos de Wigner de los que hablábamos hace poco. De hecho, los resultados del experimento han sido predichos por una mecánica cuántica completamente estándar. 

La cuestión está relacionada con el famoso principio de incertidumbre de Heisenberg, que nos dice, por ejemplo, que si quiero conocer con precisión la posición de un sistema cuántico, tengo que renunciar a conocer con precisión la velocidad. Uno podría pensar que esto tampoco es un problema tan grande si solo estoy interesado en la posición, pero resulta que la cosa es aún peor: si estoy interesado en hacer más de una medida de la posición, es decir, en seguir la evolución temporal de la posición, los efectos de la medida en la velocidad acaban afectando a la posición. Al menos, eso es así en los sistemas cuánticos más usuales, como un sistema paradigmático llamado "oscilador armónico cuántico", o sea, la versión cuántica (por sus características matemáticas) de los muelles de los libros de Física del bachillerato. Pero es posible encontrar (insisto, con las reglas de la física cuántica estándar) sistemas con unas matemáticas equivalentes a las de uno de estos "muelles cuánticos", pero con la saludable propiedad de que la inevitable distorsión producida por la medida de la posición afecta a una magnitud que después no va a influir en la evolución de la posición. Este tipo de sistemas ya se conocía teóricamente y ahora se han realizado en el laboratorio. Para ello, es preciso confinar dos de estos "muelles" en una cavidad de microondas y usar un astuto esquema de láseres escogiendo las frecuencias para que el resultado sea un gran "muelle" con las propiedades matemáticas que acabamos de explicar. Todo ello a 0,008 grados Kelvin, o sea, -273,142 grados centígrados. En este "muelle" uno puede medir con gran precisión la evolución de la posición. Las consecuencias más inmediatas de estos resultados tienen que ver con el campo de la Metrología cuántica (una de las tecnologías cuánticas más avanzadas, como explicamos en el libro "Verdades y mentiras de la física cuántica"). Es decir, nada de piratear la física cuántica, sino más bien usar sus propiedades para producir nueva tecnología útil.

Carlos Sabín
Carlos Sabín

Físico teórico. Investigador "Ramón y Cajal" en el Departamento de Física Teórica de la UAM. Autor de "Verdades y mentiras de la física cuántica".

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