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Ingenieros de la Universidad de Nueva Gales del Sur (UNSW) han demostrado el conocido experimento mental cuántico del gato de Schrödinger en el mundo real, concretamente en un chip de silicio.
Sus hallazgos, publicados en ‘Nature Physics’, ofrecen una forma nueva y más sólida de realizar cálculos cuánticos, y tienen implicaciones importantes para la corrección de errores, uno de los mayores obstáculos que se interponen entre ellos y una computadora cuántica funcional.
La mecánica cuántica ha desconcertado a científicos y filósofos durante más de un siglo. Uno de los experimentos mentales cuánticos más famosos es el del “gato de Schrödinger”, un gato cuya vida o muerte depende de la desintegración de un átomo radiactivo. Según la mecánica cuántica, a menos que se observe directamente el átomo, debe considerarse que se encuentra en una superposición (es decir, en varios estados al mismo tiempo) de desintegración y no desintegración. Esto lleva a la inquietante conclusión de que el gato se encuentra en una superposición de vida y muerte.
“Nadie ha visto nunca un gato real en un estado de estar muerto y vivo al mismo tiempo, pero la gente usa la metáfora del gato de Schrödinger para describir una superposición de estados cuánticos que difieren en una gran cantidad", argumenta el profesor de la UNSW Andrea Morello, líder del equipo que llevó a cabo la investigación.
Para este trabajo de investigación, el equipo del profesor Morello utilizó un átomo de antimonio, que es mucho más complejo que los “qubits” estándar, o bloques de construcción cuánticos. “En nuestro trabajo, el ‘gato’ es un átomo de antimonio”, expone Xi Yu, autor principal del artículo.
“El antimonio es un átomo pesado, que posee un gran espín nuclear, lo que significa un gran dipolo magnético. El espín del antimonio puede tomar ocho direcciones diferentes, en lugar de solo dos. Esto puede no parecer mucho, pero de hecho cambia por completo el comportamiento del sistema. Una superposición del espín del antimonio apuntando en direcciones opuestas no es solo una superposición de ‘arriba’ y ‘abajo’, porque hay múltiples estados cuánticos que separan las dos ramas de la superposición“, agrega el experto.
Esto tiene profundas consecuencias para los científicos que trabajan en la construcción de una computadora cuántica utilizando el espín nuclear de un átomo como bloque de construcción básico. “Normalmente, la gente utiliza un bit cuántico, o ‘qubit’ (un objeto descrito por solo dos estados cuánticos), como la unidad básica de información cuántica”, plantea el coautor Benjamin Wilhelm. “Si el cúbit es un espín, podemos llamar “espín hacia abajo” al estado “0” y “espín hacia arriba” al estado “1”. Pero si la dirección del espín cambia de repente, tenemos inmediatamente un error lógico: 0 se convierte en 1 o viceversa, de una sola vez. Por eso la información cuántica es tan frágil".
Pero en el átomo de antimonio, que tiene ocho direcciones de espín diferentes, si el ‘0’ se codifica como un ‘gato muerto’ y el ‘1’ como un ‘gato vivo’, un solo error no es suficiente para descifrar el código cuántico.
“Como dice el proverbio, un gato tiene nueve vidas. Un pequeño rasguño no es suficiente para matarlo. Nuestro ‘gato’ metafórico tiene siete vidas: se necesitarían siete errores consecutivos para convertir el ‘0’ en un ‘1 Este es el sentido en el que la superposición de estados de espín de antimonio en direcciones opuestas es ‘macroscópica’, porque está sucediendo a una escala mayor y hace realidad un gato de Schrödinger", explica Yu.
De esta forma, el gato de antimonio está incrustado en un chip cuántico de silicio, similar a los que tenemos en nuestros ordenadores y teléfonos móviles, pero adaptado para dar acceso al estado cuántico de un único átomoLa importancia de este avance es que abre la puerta a una nueva forma de realizar cálculos cuánticos. La información sigue estando codificada en código binario, “0” o “1”, pero hay más “margen de error” entre los códigos lógicos.
“Si ocurre un error, lo detectamos inmediatamente y podemos corregirlo antes de que se acumulen más errores. Siguiendo con la metáfora del “gato de Schrödinger”, es como si viéramos a nuestro gato llegar a casa con un gran arañazo en la cara. No está muerto, pero sabemos que se ha peleado; podemos ir a buscar al causante de la pelea, antes de que vuelva a suceder y nuestro gato sufra más heridas", explican los investigadores.
La demostración de la detección y corrección de errores cuánticos -un “Santo Grial” en la computación cuántica- es el próximo hito que abordará el equipo.