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La mecánica cuántica ha servido tradicionalmente para describir el comportamiento de las partículas elementales, los átomos y las moléculas. Con todo, no se conoce ninguna razón por la que los objetos más grandes, que habitan en el reino de la mecánica clásica, no sigan las mismas reglas.
Ello significaría que dichos objetos podrían presentar el mismo comportamiento cuántico «espeluznante», tal como Einstein lo describió. Este comportamiento incluye el entrelazamiento cuántico, es decir, cuando dos objetos distantes se entrelazan de una manera que contraviene la física clásica y la comprensión de la realidad desde el sentido común.
«Los sistemas clásicos más arquetípicos de la física son los “objetos masivos en movimiento”, por lo que son un lugar idóneo para indagar sobre el potencial cuántico en el mundo macroscópico —comenta Mika Sillanpää, coordinador del proyecto financiado con fondos europeos CAVITYQPD, que contó con el apoyo del Consejo Europeo de Investigación—. Si bien este ha sido un objetivo inveterado, las dificultades que entrañan los experimentos han supuesto un obstáculo considerable».
El equipo del proyecto, junto con otro grupo de investigación, empleó técnicas especialmente desarrolladas para realizar mediciones cuánticas sensibles y logró demostrar, por primera vez, que pequeños resonadores mecánicos —con un diámetro de tan solo quince micras, pero masivos en la escala atómica—, se pueden poner en un estado cuántico entrelazado.
«El entrelazamiento cuántico es extremadamente frágil y, hasta ahora, se había observado sobre todo en sistemas microscópicos, como la luz o los átomos, y más recientemente en circuitos eléctricos superconductores», explica Sillanpää, de la Universidad Aalto, entidad anfitriona del proyecto.
Relaciones cuánticas en el mundo clásico
En CAVITYQPD, los resonadores micromecánicos, en este caso nanomembranas vibratorias hechas de aluminio metálico en un chip de silicio, representaban objetos masivos en movimiento. El movimiento de estos objetos suele ajustarse a las reglas de la física clásica; el estado de un objeto, como un péndulo, hace predecible su movimiento en el espacio y el tiempo.
«La sociedad moderna se basa en resonadores micromecánicos ya que están en todos los componentes electrónicos, donde sus vibraciones fiables, predecibles y precisas proporcionan un “reloj” para los procesadores», agrega Sillanpää.
El objetivo del proyecto era determinar si el entrelazamiento cuántico entre dos resonadores micromecánicos podría inducirse y detectarse del mismo modo que entre sistemas atómicos.
Si bien existen muchos tipos diferentes de resonadores micromecánicos, el equipo de CAVITYQPD desarrolló sus propias versiones y, después, probó sus diseños en entornos de sala limpia, proceso que se complementó con simulaciones por ordenador.
El entrelazamiento cuántico se indujo colocando los resonadores micromecánicos vibratorios en un pequeño dispositivo conocido como cavidad resonante, en la que se manipulan los resonadores micromecánicos hasta alcanzar un estado de entrelazamiento cuántico mediante un circuito de microondas superconductor. «Cuando se logra el entrelazamiento cuántico, los resonadores micromecánicos vibran en sincronía, un fenómeno detectable con las emisiones de microondas, lo que proporciona pruebas directas del éxito del entrelazamiento cuántico», explica Sillanpää.
Para que esto funcione, los experimentos se llevan a cabo a una temperatura próxima al cero absoluto, a -273 °C.
¿Un salto cuántico para la ingeniería?
Muchas empresas e institutos de investigación están invirtiendo actualmente en tecnología cuántica, y el entrelazamiento cuántico es un componente esencial del procesamiento de información cuántica.
Los resonadores micromecánicos podrían constituir una interfaz cuántica entre el mundo real y los procesadores de cúbits de estado sólido de los ordenadores cuánticos, lo que proporcionaría una potencia de cálculo muy superior a las capacidades actuales. De hecho, el equipo de CAVITYQPD fue de los primeros en acoplar un resonador micromecánico a un cúbit superconductor, la unidad básica de información cuántica.
Gracias a ello, ahora podría ser factible transformar la información de los cúbits en fotones usando un resonador mecánico. Esto permitiría la creación de redes de información cuántica de larga distancia a través de redes de fibra óptica. «Una interfaz que conecte cúbits de estado sólido con señales ópticas ofrece una gama de aplicaciones que va más allá de la computación cuántica, como sensores cuánticos hipersensibles que podrían, por ejemplo, medir ondas gravitatorias», comenta Sillanpää.
El equipo se propone ahora investigar temas muy ambiciosos, pero aún poco conocidos, de interés para la física cuántica, como la naturaleza precisa de la interacción entre la mecánica cuántica y la gravedad, y la teoría de la relatividad general de Einstein.
«Sí, es muy ambicioso, pero una investigación que merezca la pena debería parecer desalentadora de antemano», concluye Sillanpää.
Video in English
https://www.youtube.com/watch?v=I6d4Ib1QKU8