Un equipo chino logra el r¨¦cord de mantenimiento de los estados cu¨¢nticos del gato de Schr?dinger

Aunque suene contraintuitivo para la mente humana, acostumbrada al mundo macrosc¨®pico y sus leyes, las part¨ªculas at¨®micas pueden estar en dos estados a la vez. Es lo que el f¨ªsico austriaco Erwin Schr?dinger intent¨® explicar con su famosa paradoja mental: un gato en una caja puede estar simult¨¢neamente vivo y muerto. Esta propiedad se conoce como superposici¨®n de estados y es un principio fundamental de la computaci¨®n cu¨¢ntica. Sin embargo, es muy fr¨¢gil y se mantiene solo durante milisegundos en unas condiciones extremas de aislamiento y fr¨ªo. El equipo de Zheng-Tian Lu en la Universidad de Ciencia y Tecnolog¨ªa de China asegura en un estudio publicado en Arxviv (un repositorio abierto de investigaciones) haber batido todos los r¨¦cords hasta ahora al mantener la superposici¨®n cu¨¢ntica estable durante 23 minutos.

Seg¨²n explica Alberto Casas, profesor de Investigaci¨®n del CSIC en el Instituto de F¨ªsica Te¨®rica (CSIC-UAM) y autor de La revoluci¨®n cu¨¢ntica (Ediciones B, 2022), ¡°en nuestra vida com¨²n, estamos acostumbrados a que los objetos ocupen una posici¨®n y solo una¡±. ¡°Sin embargo¡±, a?ade, ¡°la f¨ªsica cu¨¢ntica permite que un electr¨®n est¨¦ en una superposici¨®n de estados y, mientras no midamos la posici¨®n, convivir¨¢n dos realidades. Esto est¨¢ comprobado experimentalmente hasta la saciedad. En el mundo macrosc¨®pico no lo vemos, pero en el microsc¨®pico, est¨¢ m¨¢s que probado¡±.

Esta propiedad es fundamental en computaci¨®n cu¨¢ntica. Un ordenador cl¨¢sico funciona manipulando bits, es decir, secuencias de ceros y unos. En contraste, el elemento b¨¢sico de la computaci¨®n m¨¢s avanzada es el c¨²bit, una superposici¨®n arbitraria de los estados cero y uno. De esta forma, si un superordenador actual puede hacer millones de operaciones con bites (el Summit de IBM es capaz de procesar m¨¢s de 200.000 millones de c¨¢lculos por segundo), uno cu¨¢ntico puede ejecutar trillones gracias al aumento exponencial de su capacidad.

Pero estas superposiciones son muy sensibles. Los mismos ¨¢tomos que forman el ordenador no pueden estar perfectamente quietos, lo que induce a perturbaciones (ruido) que se intentan reducir enfriando los sistemas a una temperatura cercana al cero absoluto (-273 ?C). Adem¨¢s, cualquier interacci¨®n con el entorno degrada la superposici¨®n hasta hacerla in¨²til, un efecto conocido como decoherencia.

La fragilidad de la virtud cu¨¢ntica hace que la superposici¨®n de estados se mantenga solo durante milisegundos. Hasta ahora. Los investigadores chinos afirman haber conseguido mantener estables los estados del gato de Schr?dinger, como ellos mismos titulan la investigaci¨®n publicada, durante 1.400 segundos, unos 23 minutos que suponen el r¨¦cord absoluto de coherencia.

El experimento ha utilizado ¨¢tomos de iterbio en una trampa ¨®ptica, una combinaci¨®n de l¨¢seres que conforman una red de fuerzas electromagn¨¦ticas donde quedan confinadas las part¨ªculas disminuyendo su velocidad y su temperatura hasta casi el cero absoluto.

Barry Sanders, f¨ªsico de la Universidad de Calgary (Canad¨¢) y ajeno al estudio, considera el experimento un logro significativo por el tiempo alcanzado para mantener un sistema estable, seg¨²n declara a NewScientist en la informaci¨®n sobre el estudio. ¡°Podr¨ªa usarse para detectar y estudiar fuerzas sutiles o para sondear efectos nuevos y ex¨®ticos en f¨ªsica fundamental, aportando datos m¨¢s all¨¢ de un solo instante, capturando efectos que ocurren tanto muy r¨¢pido como m¨¢s lentamente¡±, explica Sanders.

En el mismo sentido se pronuncian los siete autores del estudio, que consideran el experimento ¡°una ruta prometedora para mejorar la precisi¨®n en las mediciones f¨ªsicas¡± y una puerta a que ¡°las incertidumbres de medici¨®n se sit¨²en por debajo del l¨ªmite cu¨¢ntico est¨¢ndar¡±.

El teorema o principio de la incertidumbre establece, seg¨²n explica Casas, que ¡°hay magnitudes f¨ªsicas que no podemos conocer de manera simult¨¢nea, como la posici¨®n y la velocidad de una part¨ªcula. Al medir la posici¨®n, se perturba la velocidad y es imposible conocer ambas a la vez¡±. ¡°Pero la cosa es m¨¢s profunda¡±, a?ade, ¡°lo que dice el principio es que la part¨ªcula no puede tener definida al mismo tiempo la posici¨®n y la velocidad. Si est¨¢ bien definida una, no puede estarlo la otra¡±.

¡°La f¨ªsica impone l¨ªmites a los experimentos y, especialmente, a la medici¨®n de precisi¨®n¡±, explica John Robinson, f¨ªsico de la compa?¨ªa de computaci¨®n cu¨¢ntica QuEra, al MIT Tecnology Review.

Los autores del estudio sostienen que, adem¨¢s de llevar al l¨ªmite las mediciones, el sistema se puede aplicar a la memoria cu¨¢ntica y proporcionar as¨ª la redundancia necesaria para las correcciones de errores, uno de los mayores desaf¨ªos de la computaci¨®n fundamentada en esta f¨ªsica, y los c¨¢lculos.

Es la carrera fundamental de esta tecnolog¨ªa: conseguir funcionamientos fiables sin rozar el cero absoluto de temperatura, tiempos de funcionamiento m¨¢s prolongados y menores tasas de error.

Los errores son, por ahora, inevitables por las caracter¨ªsticas de la f¨ªsica cu¨¢ntica. Sin embargo, su mitigaci¨®n o correcci¨®n mediante sistemas de control de las perturbaciones o aplicando f¨®rmulas a los resultados que subsanen los fallos empiezan a dar sus frutos. Un equipo de investigadores de Google asegura haber alcanzado un avance significativo en la correcci¨®n de errores cu¨¢nticos en un art¨ªculo tambi¨¦n publicado en ArXiv.

Los cient¨ªficos aseguran haber logrado tasas de fallos por debajo del umbral cr¨ªtico necesario para una correcci¨®n efectiva de errores cu¨¢nticos, algo que consideran un paso fundamental hacia la computaci¨®n cu¨¢ntica escalable y tolerante a fallos.