Los saltos cuánticos son reales, y ahora podemos controlarlos

Por Leah Crane

Durante más de un siglo, los físicos han estado remando sobre la verdadera naturaleza de un salto cuántico. Ahora hay una respuesta, y en forma cuántica verdadera, todo el mundo tenía un poco de razón.

La frase «salto cuántico» ha recibido un poco de golpes en las últimas décadas: para muchas personas, recordará un cliché de cambio masivo, o el programa de televisión de ciencia ficción protagonizado por Scott Bakula. En realidad, describe uno de los principios básicos de la física cuántica: que los átomos tienen niveles de energía discretos, y que los electrones dentro de un átomo pueden saltar de un nivel de energía al siguiente, pero no pueden observarse entre esos niveles específicos.

Titanes de la física, incluidos Niels Bohr, quien introdujo la idea en 1913, Erwin Schrödinger y Albert Einstein, se enfrentaron sobre los detalles de estos saltos, también conocidos como saltos cuánticos, en particular sobre si eran instantáneos y si su tiempo era aleatorio.

Ahora, Zlatko Minev de la Universidad de Yale y sus colegas han zanjado el debate. «Si nos acercamos a una escala muy fina, el salto no es instantáneo ni tan aleatorio como pensábamos», dice Minev.

Los investigadores lograron esto construyendo un circuito eléctrico superconductor con comportamiento cuántico que lo convierte en un análogo al átomo con tres niveles de energía: el estado fundamental, que es el estado predeterminado del átomo, un estado «brillante» conectado al estado fundamental, y un estado «oscuro» en el que el átomo puede saltar.

Dispararon un haz de microondas al átomo artificial para inyectar energía en el sistema. Generalmente, el átomo rebotaba rápidamente entre el estado fundamental y el estado brillante, emitiendo un fotón cada vez que saltaba de brillante a tierra. Pero si el átomo absorbiera un fotón de mayor energía del haz, saltaría al estado oscuro. El estado oscuro era más estable que el estado brillante, por lo que el átomo permanecería allí durante más tiempo sin emitir fotones.

A partir de estas señales, los investigadores pudieron saber cuándo había comenzado un salto cuántico al buscar un destello de luz del estado brillante seguido de una pausa mientras el átomo saltaba al estado oscuro. Minev lo compara con predecir la erupción de un volcán. «Es un fenómeno aleatorio, nadie puede predecir cuándo ocurrirá la próxima erupción volcánica, sin embargo, antes de que ocurra la próxima erupción, hay ciertas señales en el suelo que podemos detectar y usar como advertencia», dice.

La pausa en la luz del átomo es equivalente a esas señales de advertencia sísmica. En escalas de tiempo más largas, es imposible predecir cuándo ocurrirá el próximo salto, como pensó Bohr, pero en escalas de tiempo más cortas de solo unos pocos microsegundos, lo son.

«El hecho de que tal salto cuántico se viera en un circuito superconductor en lugar de en un átomo es indicativo del hecho de que podemos controlar este circuito superconductor de maneras que no podemos controlar los átomos naturales», dice William Oliver en el Instituto de Tecnología de Massachusetts. Algún día deberíamos ser capaces de hacer lo mismo con átomos reales, dice.

Este control permitió al equipo hacer algo que Bohr y sus contemporáneos hubieran considerado imposible: controlar un salto cuántico.

Si, justo después de que el salto hubiera comenzado, los investigadores golpearan el átomo con un pulso eléctrico, podrían interceptarlo y enviar el átomo de vuelta al estado fundamental, algo que no habría sido posible si los saltos cuánticos fueran realmente instantáneos y aleatorios. En cambio, descubrieron que los saltos tomaban el mismo camino entre los dos niveles de energía cada vez, por lo que era fácil predecir cómo recuperarlos.

Esto muestra que, como insistió Schrödinger, los saltos cuánticos no son instantáneos, en realidad toman unos cuatro microsegundos. «En cierto sentido, los saltos no son saltos», dice Minev. «Si nos fijamos en estas características más finas, podemos hacer cosas que tal vez pensábamos que no podíamos hacer debido a estas pequeñas ventanas de previsibilidad.»

Esto eventualmente puede ser útil para corregir errores en la computación cuántica, dice Minev. Un salto cuántico inesperado podría marcar un error en los cálculos, y este método podría permitir a los investigadores detectar el inicio del salto y dar cuenta del error, o incluso revertirlo a mitad del salto. «Este es un resultado científico muy importante, y su relevancia para las computadoras cuánticas del futuro dependerá de cómo se vean las computadoras cuánticas del futuro», dice Oliver.