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Los saltos cuánticos no son instantáneos

Cuando se creó la mecánica cuántica, hará un siglo, como teoría para entender el mundo a escala atómica, uno de sus conceptos clave era tan radical, tan audaz y tan contrario a la intuición que dio lugar a una expresión popular, por lo menos en inglés: «salto cuántico». Los puristas podrían objetar que la costumbre de aplicar estas palabras a un gran cambio no se compadece con lo pequeños que son de ordinario los saltos entre dos estados cuánticos, precisamente la razón de que no se cayese en la cuenta de su existencia antes. Pero lo que importa es que son súbitos. Tanto, que muchos de los pioneros de la mecánica cuántica supusieron que eran instantáneos.

Un nuevo experimento muestra que no lo son. Con una especie de película a alta velocidad de un salto cuántico, ha revelado que el proceso es tan gradual como el derretirse de un hombre de nieve al sol. «Si podemos medir un salto cuántico deprisa y con suficiente eficiencia», dice Michel Devoret, de la Universidad Yale, «es que se trata de un proceso en realidad continuo». El estudio, dirigido por Zlatko Minev, estudiante de doctorado del laboratorio de Devoret,  se publicó hace unos días en Nature. Los colegas están emocionados. «Es un experimento verdaderamente fantástico», dice el físico William Oliver, del Instituto de Tecnología de Massachusetts, que no participó en el trabajo. «Verdaderamente asombroso».

Paro aún hay más. Con su sistema de seguimiento a alta velocidad pudieron divisar el momento en que un salto cuántico estaba a punto de producirse, «pillarlo» a medio camino e invertirlo para devolver el sistema al estado donde empezó. De esta forma, lo que a los pioneros les parecía una aleatoriedad inevitable en el mundo físico parece ahora susceptible de ser controlado. Podemos hacernos cargo del cuanto.

Demasiado aleatorio

La brusquedad de los saltos cuántico era un pilar central de la forma en que la teoría cuántica fue formulada por Niels Bohr, Werner Heisenberg y otros a mediados de los años veinte, conforme a la que interpretación de Copenhague, como ahora se suele llamar a esa manera de entenderla. Bohr ya había sostenido antes que los estados de energía de los electrones en los átomos estaban «cuantizados»: solo tenían disponibles ciertas energías; las intermedias estaban prohibidas. Propuso que los electrones cambiaban de energía al absorber o emitir partículas cuánticas de luz (los fotones) con energías coincidentes con la diferencia entre los estados permitidos a los electrones. Esto explicaba por qué los átomos y las moléculas absorben y emiten  longitudes de onda de la luz muy características: por qué, digamos, muchas sales de cobre son azules y las lámparas de sodio, amarillas.

Bohr y Heisenberg empezaron a elaborar una teoría matemática de estos fenómenos cuánticos en los años veinte. La mecánica cuántica de Heisenberg enumeraba todos los estados cuánticos permitidos y aceptaba implícitamente que los saltos entre ellos eran instantáneos (discontinuos, como diría un matemático). «La idea de unos saltos cuánticos instantáneos… se convirtió en una noción fundacional de la interpretación de Copenhague», ha escrito la historiadora de la ciencia Mara Beller.

Otro de los arquitectos de la mecánica cuántica, el físico austriaco Erwin Schrödinger, odiaba esa idea. Concibió lo que a primera vista parecía una alternativa a la matemática de Heisenberg y sus estados cuánticos discretos y sus saltos instantáneos entre ellos. La teoría de Schrödinger representaba las partículas cuánticas basándose en unos entes ondulatorios llamados funciones de onda, que solo cambiaban suave y continuamente, como se ondula el agua en mar abierto. Las cosas no conmutan de pronto en el mundo real entre estados distintos, sin que pase tiempo alguno, pensaba Schrödinger: los «saltos cuánticos» discontinuos son una mera fantasía. que solo existe en nuestra mente. En un artículo escrito en 1952, «¿Hay saltos cuánticos?», respondía esta pregunta con un «no» rotundo; su irritación era más que evidente en que los llamase «espasmos cuánticos».

La discusión no se limitaba a la incomodidad de Schrödinger con el cambio súbito. El problema de los saltos cuánticos estribaba también en que se dijese que ocurrían en momentos distribuidos al azar, sin que hubiese nada que dijera por qué ocurrían en esos momentos concretos. Se trataba, pues, de un efecto sin causa, un ejemplo de aparente aleatoriedad inserto en el corazón de la naturaleza. Schrödinger y su buen amigo Albert Einstein no aceptaban que la suerte y la impredecibilidad reinasen en el nivel más fundamental de la naturaleza. Según el físico alemán Max Born, la controversia entera no consistía «tanto en un asunto interno de la física como en el de su relación con la filosofía y el conocimiento humano en general». En otras palabras, es mucho lo que depende de la realidad (o no realidad) de los saltos cuánticos.

Ver sin mirar

Para ahondar más, hay que ver los saltos cuánticos uno a uno. En 1986, tres equipos informaban de su observación de los que se producían en átomos individuales suspendidos por campos electromagnéticos en el espacio. Los átomos iban y venían entre un estado «brillante», en el que podían emitir un fotón de luz, y uno «oscuro», que no emitía en momentos aleatorios, y permanecía en uno o en el otro durante períodos de entre unas décimas de segundo y varios segundos antes de saltar de nuevo. Desde entonces, se han visto esos saltos en varios sistemas: saltos de fotones que cambian de estado cuántico o saltos de átomos en materiales sólidos entre estados magnéticos cuantizados. En 2007, un equipo que trabajaba en Francia comunicaba la observación de saltos correspondientes a lo que llamaban «el nacimiento, la vida y la muerte de fotones individuales».

En estos experimentos, los saltos parecían, en efecto, bruscos y al azar: no había forma de decir, mientras se vigilaban el sistema cuántico, cuándo iban a ocurrir, ni de ofrecer un cuadro detallado de cómo eran. El dispositivo experimental del equipo de Yale, en cambio, les permitió anticipar cuándo venía un salto y ampliar la escena para examinarlo. La clave del experimento está en la capacidad de recoger casi toda la información disponible en él, sin que escape ninguna hacia el entorno antes de que se la mida. Solo entonces podían seguir saltos individuales con tanto detalle.

Los sistemas cuánticos que usaron eran mucho mayores que los átomos. Estaban formados por unos hilos de material superconductor a los que a veces se llama «átomos artificiales» porque tienen estados de energía discretos análogos a los estados de los electrones en los átomos de verdad. Se pueden inducir los saltos entre los estados de energía mediante la absorción o la emisión de un fotón, tal y como ocurre con los electrones en los átomos.

Devoret y sus colaboradores querían observar a un solo átomo artificial saltando entre su estado de menor energía (el que recibe el nombre del fundamental)  y uno excitado energéticamente. Pero no podían seguir la transición de forma directa, ya que efectuar una medición de un sistema cuántico destruye la coherencia de la función de onda (su comportamiento ondulatorio suave), de la que depende el comportamiento cuántico. Para observar el salto cuántico tenían que preservar esa coherencia. Si no, hacían que la función de onda «colapsase», lo que situaba al átomo artificial en un estado o en el otro. Es el problema del que sirve de famoso ejemplo el gato de Schrödinger, al que, dice la historieta, se pone en un estado cuántico de «superposición» de los estados de vida y de muerte pero que solo pasa a estar en uno o en el otro cuando es observado.

Para librarse de este problema, Devoret y sus colaboradores recurrieron a un inteligente truco, en el que desempeña un papel un segundo estado excitado. El sistema puede alcanzar ese segundo estado desde el fundamental absorbiendo un fotón con una energía diferente. Los investigadores sondearon el sistema de una forma que solo puede decirles si el sistema está en ese segundo estado «brillante», así llamado porque es el que se puede ver. El estado para el que los observadores realmente buscan saltos cuánticos hacia y desde él es, mientras, el estado «oscuro», ya que permanece oculto para una mirada directa.

Los investigadores colocaron el circuito superconductor en una cavidad óptica (una cámara en la que irán rebotando los fotones que tengan una longitud de onda apropiada), de modo que, si el sistema está en el estado brillante, cambia la forma en que la luz se dispersa en la cavidad. Cada vez que el estado brillante cae al emitir un fotón, el detector emite una señal análoga al «clic» de un contador Geiger.

La clave aquí, dice Oliver, es que la medición ofrece información sobre el estado del sistema sin interrogar al estado directamente. En efecto, pregunta si el sistema está en, o no está en, los estados fundamental y excitado tomados en conjunto. Esta ambigüedad es crucial para mantener la coherencia cuántica durante un salto entre esos dos estados. En lo que a eso se refiere, explica Oliver, el procedimiento del equipo de Yale guarda mucha relación con los empleados para la corrección de errores en los ordenadores cuánticos. En estos también hay que obtener información sobre los bits cuánticos sin destruir la coherencia en que se basa la computación cuántica. Una vez más, esto se hace sin mirar directamente el bit cuántico en cuestión, sino sondeando un estado auxiliar acoplado con él.

La estrategia revela que la medición cuántica no lo es de la perturbación cuántica inducida por la sonda, sino de lo que se conoce (y lo que se deja sin conocer) como resultado. «La ausencia de un suceso puede dar tanta información como su presencia», dice Devoret. Lo compara con la historia de Sherlock Holmes en la que infiere una pista vital a partir del «curioso incidente» en el que un perro no hace algo por la noche. Tomando prestado de otra historia de Holmes que también tiene que ver con un perro (pero con la que a menudo se confunde la otra), Devoret lo llama «el sabueso de los Baskerville conoce al gato de Schrödinger»

Pillar un salto

El equipo de Yale vio una serie de clics del detector, cada uno de los cuales significaba que había decaído un estado brillante; de ordinario, había uno cada pocos microsegundos. Esta cadena de clics se interrumpía aproximadamente cada pocos cientos de microsegundos, parecía que al azar: había entonces un hiato sin clics. Tras un período que solía ser de cien microsegundos, más o menos, los clics se reanudaban. En ese lapso silencioso, el sistema sufría presumiblemente una transición al estado oscuro: es lo único que puede impedir que vaya y venga entre el estado fundamental y el brillante.

Así que es ahí, en esas conmutaciones del «clic» al «no clic», donde están los saltos cuánticos individuales, como los vistos en los experimentos anteriores con átomos atrapados y otros semejantes. No obstante, en este caso Devoret y sus colaboradores pudieron ver algo nuevo.

Antes de cada salto hacia el estado oscuro, había de ordinario un corto plazo en el que parecía que se suspendían los clics: una pausa que actuaba como anuncio del salto inminente. «En cuanto la longitud de un períodos sin clics superaba significativamente el tiempo típico entre dos clics, se tenía un aviso bastante bueno de que estaba a punto de ocurrir un salto», explica Devoret.

Ese aviso permitía a los investigadores  estudiar el salto con mayor detalle. Cuando veían esa breve pausa, interrumpían el flujo de los fotones que inducían las transiciones. Sorprendentemente, la transición hacia el estado oscuro seguía ocurriendo aunque los fotones no la indujesen: es como si, en el momento en que empieza la breve pausa, el destino estuviese ya fijado. Aunque el salto mismo ocurre en momentos aleatorios, hay también algo determinista, pues, en su acercarse.

Cuando dejaban de entrar fotones, los investigadores ampliaban los detalles del salto gracias a una resolución temporal más fina, para ver cómo se desarrollaba. ¿Ocurre instantáneamente, es decir, son los saltos cuánticos súbitos de Bohr y Heisenberg? ¿O pasa suavemente, como Schrödinger insistía que debía ser? Y si es así, ¿cómo?

El equipo obtuvo que los saltos son graduales. Es así porque, pese a que una observación directa solo podría descubrir al sistema en un estado o en el otro, durante el salto cuántico el sistema se encuentra en una superposición de esos dos estados finales. A medida que progresa el salto, una medición directa iría arrojando con probabilidad creciente el estado final en vez del inicial. Es un poco como la forma en que nuestras decisiones pueden evolucionar con el tiempo. Solo se puede permanecer en una fiesta o irse de ella (es una decisión binaria), pero a medida que pasa la noche y aumenta el cansancio es cada vez más probable que a la pregunta «¿te vas o te quedas?» se le responda «me voy».

Las técnicas elaboradas por el equipo de Yale revelan la disposición cambiante de un sistema durante un salto cuántico. Gracias al método conocido como reconstrucción tomográfica, pudieron hallar el peso relativo que los estados oscuro y brillante tienen en la superposición. Vieron que esos pesos cambian gradualmente a lo largo de un período de unos microsegundos. Es bastante rápido pero, ciertamente, instantáneo no es.

Más aún, el sistema electrónico es tan rápido que los investigadores pudieron «pillar» la conmutación entre los dos estados mientras sucedía e invertirla mediante el envío de un pulso de fotones dentro de la cavidad para estimular la vuelta del sistema al estado oscuro. Pueden persuadir al sistema para que cambie de opinión y, pese a todo, siga en la fiesta.

Un destello de conocimiento

El experimento muestra que los saltos cuánticos «no son, en efecto, instantáneos si miramos suficientemente de cerca», dice Oliver, «si bien son procesos coherentes»: sucesos físicos reales que se desenvuelven en el tiempo.

Que el «salto» sea gradual es justo lo que predice una forma de teoría cuántica, la teoría de las trayectorias cuánticas, que puede describir sucesos individuales como ese. «Tranquiliza que la teoría concuerde perfectamente con lo que se ve», dice David DiVicenzo, experto en información cuántica de la Universidad de Aquisgrán, en Alemania, «pero se trata de una teoría sutil, y estamos lejos de habernos hecho completamente a ella».

La posibilidad de predecir los saltos cuánticos justo antes de que ocurran, dice Devoret, los asemeja en cierta forma a las erupciones volcánicas. Cada erupción ocurre impredeciblemente, pero algunas grandes se pueden anticipar observando un período infrecuentemente tranquilo que las precede. «Que sepamos, esa señal precursora [de un salto cuántico] no había sido propuesta o medida antes», afirma.

Devoret dice que la capacidad de captar precursores de los saltos cuánticos podría tener aplicaciones en las tecnologías sensoras cuánticas. Por ejemplo: «en las mediciones con relojes atómicos, se quiere sincronizar el reloj con la frecuencia de transición de un átomo que sirve de referencia», explica. Pero si se puede detectar justo al principio si la transición está a punto de ocurrir en vez de tener que esperar a que se complete, la sincronización podría ser más rápida y, por lo tanto, más precisa a largo plazo.

DiVicenzo cree que el trabajo también podría encontrar aplicaciones en la corrección de errores en computación cuántica, si bien le parece «que cae muy lejos». Para conseguir el nivel de control que se requiere para vérselas con esos errores, sin embargo, hará falta ese tipo de cosecha exhaustiva de datos de mediciones en vez de la situación intensiva en datos de la física de partículas, según DiVicenzo.

Pero el verdadero valor del resultado no reside en ningún beneficio práctico, sino en lo que nos enseña sobre el funcionamiento del mundo cuántico. Sí, está acribillado por la aleatoriedad, pero no, no está marcado por espasmos súbitos. Schrödinger, muy apropiadamente, tenía razón y no la tenía a la vez.

Philip Ball / Quanta Magazine

Artículo traducido por Investigación y Ciencia con permiso de QuantaMagazine.org, una publicación independiente promovida por la Fundación Simons para potenciar la comprensión de la ciencia.

Referencia: «To catch and reverse a quantum jump mid-flight», de Z. K. Minev et al. en Nature 570, 200–204 (2019); se puede leer la prepublicación en arxiv:1803.00545 [quant-ph] y la tesis de Minev en arxiv:1902.10355 [quant-ph].