Las leyes cuánticas persisten en los cúmulos metálicos

Prueba vívida de que un diminuto trozo de metal puede ser una onda

En un tranquilo laboratorio de la Universidad de Viena este mes, un equipo de investigadores envió paquetes de sodio neutro —cada paquete contenía entre aproximadamente 5,000 y 10,000 átomos— a través de una línea de haz a escala métrica y observó cómo se comportaban como ondas. Los cúmulos pasaron por una secuencia de campos de luz ultravioleta estacionarios que actuaron como redes de difracción invisibles; en el extremo opuesto, los detectores contabilizaron un llamativo patrón de franjas en las posiciones de llegada. Esas franjas son la característica distintiva de la interferencia cuántica: un solo objeto que sigue más de una ruta a la vez y se recombina para crear bandas brillantes y oscuras.

El interferómetro de Viena y cómo funciona

Franjas, macroscopicidad y qué se midió

En el detector, los investigadores escanearon una máscara de luz final y contaron cuántos cúmulos pasaban por cada posición. El recuento oscilaba en el espacio —con claras franjas brillantes y oscuras—, coincidiendo con la interferencia esperada cuando las diferentes amplitudes de trayectoria se suman o se cancelan. El espaciamiento de las franjas medido correspondió a separaciones de posición del orden de cinco millonésimas de pulgada, una separación espacial macroscópica en relación con el propio tamaño de los cúmulos.

Los físicos cuantifican con qué intensidad un experimento sondea el límite entre lo cuántico y lo clásico mediante un único número llamado macroscopicidad. Para estos cúmulos de sodio, la puntuación alcanzó aproximadamente 15.5, unas diez veces más que los resultados anteriores de interferometría de nanopartículas. Esa cifra más alta no convierte a los objetos cotidianos en cuánticos, pero sí significa que el experimento es una prueba mucho más rigurosa para las propuestas que buscan modificar la mecánica cuántica a escalas mayores.

Restricción de los modelos de colapso y la división cuántico-clásica

Durante décadas, los teóricos han propuesto que algo —quizás la masa, la gravedad o un proceso estocástico objetivo— hace que los sistemas grandes dejen de exhibir superposición. Estos modelos de colapso añaden pequeños impulsos aleatorios a la ecuación de Schrödinger para que un estado extendido y disperso se localice rápidamente en un resultado definido. El resultado de Viena acorrala aún más esas ideas: debido a que los cúmulos permanecieron en superposiciones extendidas espacialmente que interfirieron visiblemente, cualquier mecanismo de colapso que actúe a esa escala de masa y longitud debe ser más débil o funcionar de manera diferente a lo que predicen algunas versiones de los modelos.

Esto no demuestra que no exista una escala en la que las reglas cuánticas fallen. El experimento demuestra que, bajo un aislamiento extremo y con una preparación cuidadosa, el comportamiento de onda de materia sobrevive en conjuntos de átomos mucho más grandes de lo que habitualmente se supone. La pregunta ahora es dónde aparece una frontera rígida, si es que existe, o si las reglas cuánticas se extienden sin un corte neto, limitadas únicamente por desafíos técnicos como la decoherencia.

Cómo encaja esto con otros hitos cuánticos recientes

El trabajo de Viena es un hilo conductor en un programa experimental más amplio y acelerado que está elevando los efectos cuánticos hacia sistemas más grandes. Equipos de la Tampere University e instituciones colaboradoras proporcionaron recientemente la primera confirmación experimental de que el momento angular orbital se conserva incluso cuando un solo fotón se divide en un par; una prueba exigente de las leyes de conservación a nivel de fotón único, posible gracias a la óptica no lineal de bajo ruido y a esquemas de detección extremadamente eficientes. En otros lugares, diversos grupos han preparado superposiciones de movimiento en resonadores y cristales macroscópicos, y los teóricos han esbozado propuestas de laboratorio para probar si la propia gravedad puede entrelazar objetos masivos.

Los laboratorios nacionales de metrología han enfatizado el lado práctico de este progreso. Agencias como el National Institute of Standards and Technology destacan cómo las mismas técnicas de control de precisión que permiten realizar pruebas fundamentales también siembran tecnologías: sensores cuánticos, relojes más precisos y componentes para futuras redes y procesadores cuánticos. En definitiva, los experimentos que sondean los límites de la mecánica cuántica son también los laboratorios donde se forjan las herramientas cuánticas de próxima generación.

Desafíos técnicos y conceptuales por delante

La ruta hacia superposiciones más grandes y complejas pasa directamente por la decoherencia. Cualquier interacción errática —moléculas de aire, fotones térmicos, campos electromagnéticos parásitos— se lleva consigo la información de "qué camino" (which-path) y colapsa la superposición. Por lo tanto, escalar requiere una mejor refrigeración, vacíos más limpios, una manipulación más suave y detectores que puedan ver señales diminutas sin introducir nuevas perturbaciones.

Hoja de ruta: materiales, distancias y nuevas pruebas

El equipo sugirió intercambiar diferentes materiales —otros metales, aislantes o partículas compuestas— para explorar cómo afectan la densidad, los grados de libertad internos y la estructura a la interferencia. Las distancias de vuelo más largas aumentan el tiempo durante el cual podrían actuar los mecanismos de colapso, por lo que extender la línea de base del interferómetro es otra forma directa de fortalecer las restricciones. Los investigadores también aspiran a generar entrelazamiento entre objetos separados espacialmente o a combinar superposiciones masivas con sondas de fuerza sensibles para buscar el entrelazamiento mediado por la gravedad, una firma experimental propuesta para la gravedad cuántica.

Por qué el resultado importa más allá de la física pura

Más allá del tira y afloja conceptual sobre si la naturaleza impone un punto de corte cuántico-clásico, estos experimentos importan porque perfeccionan las herramientas que sustentan las tecnologías futuras. Un mejor control de la superposición y la decoherencia impulsa avances en la detección, la cronometría y el procesamiento de información, aplicaciones que ya se encuentran en los umbrales de la comercialización. Además, las pruebas precisas de las leyes de conservación y las simetrías a nivel cuántico pueden revelar fallos sutiles o interacciones ocultas relevantes para la metrología y los protocolos de comunicación cuántica.

Finalmente, los resultados moldean la forma en que los científicos formulan las preguntas de gran escala. Si el comportamiento cuántico puede persistir en conjuntos de átomos cada vez más grandes, entonces la línea que divide lo cuántico de lo clásico podría ser más una frontera experimental práctica que un muro cosmológico de principios. Eso desplaza el desafío de encontrar una nueva regla a dominar los sistemas cuánticos lo suficientemente bien como para realizar ingeniería con ellos a escala.

La interferencia de cúmulos de Viena, las pruebas de conservación de fotones individuales y los experimentos que sitúan cristales y resonadores en superposiciones marcan colectivamente un periodo en el que la física fundamental y la ingeniería cuántica aplicada avanzan en tándem. Cada hito estrecha las restricciones teóricas y amplía las posibilidades prácticas, situando el esquivo solapamiento de la extrañeza cuántica y las escalas cotidianas en un enfoque más nítido y experimentalmente accesible.

Fuentes

• arXiv (prepublicación sobre interferometría de nanopartículas)
• Physical Review Letters (conservación del momento angular a nivel de fotón único)
• University of Vienna (grupo de investigación de Arndt)
• Tampere University (experimento de momento angular orbital de fotones)
• National Institute of Standards and Technology (NIST)