El gato de Schrödinger puede convertirse en un elefante: estaría vivo y muerto a la vez.

La superposición cuántica escala el mundo macroscópico: se ha conseguido en moléculas orgánicas y puede lograrse en virus y pequeños animales de un milímetro de ancho. El gato de Schrödinger puede convertirse también en un elefante que está vivo y muerto a la vez.

Los científicos están cada vez más cerca de trascender los límites del mundo cuántico. Se han propuesto probar el principio de superposición cuántica a escalas macroscópicas sin precedentes: colocar un objeto levitando en dos ubicaciones a la vez, separadas por una distancia comparable a su tamaño.

Un proyecto europeo, llamado Q-Xtreme, acaba de arrancar con un presupuesto de más de 13 millones de euros, con el propósito de pisar por primera vez la frontera que separa al mundo cuántico del universo macroscópico.

El universo cuántico no sigue las leyes que rigen al mundo físico ordinario, aunque ambos estén describiendo la materia y la energía de todo lo que conocemos.

Es el caso, por ejemplo, de la superposición cuántica, según la cual un sistema físico como un electrón existe en diversos estados posibles hasta que la medición de un científico concreta una de esas posibles configuraciones.

¿Gato o elefante de Schrödinger?

Un ejemplo bastante conocido de esta superposición se remonta a 1935, cuando el físico Erwin Schrödinger propuso un ejemplo imaginario para explicar esta paradoja conocida como el gato de Schródinger.

Planteó que, si tenemos un gato dentro de una caja en la que hemos introducido por un lado alimento y por el otro veneno, al final es el dueño del gato el que decide su suerte al abrir la caja: estará vivo o muerto según lo que el observador quiera encontrarse.

En este ejemplo, el gato no deja de ser una extrapolación imaginaria de un sistema cuántico. Lo que se intenta averiguar ahora es si esa superposición de estados puede darse a niveles más complejos de la materia: lo que pasa con un gato, ¿ocurriría también con un elefante, que estaría vivo y muerto a la vez hasta que alguien abra su jaula?

¿Dónde están?

Las confirmaciones experimentales de superposiciones cuánticas macroscópicas comenzaron en 1927 utilizando electrones, y hoy han alcanzado el tamaño de moléculas orgánicas que contienen miles de átomos.

En 1999, investigadores de la Universidad de Viena demostraron que moléculas de 0,7 nanómetros, mucho más grandes y pesadas que un átomo individual, podían superponerse.

Este año, dos equipos de investigadores, en Austria y Suiza, han logrado de forma independiente congelar nanopartículas tan minúsculas, de solo 100 a 140 nanómetros de diámetro, casi en su totalidad en su estado cuántico de energía más baja, y fijarlos en su lugar con una precisión sobrenatural.

El objetivo es poner estos objetos en una superposición cuántica, en la cual es imposible decir, antes de medirlos, dónde están realmente.

Y también descubrir cómo desaparece esa superposición, un proceso no menos importante: ocurre cuando la función de onda de las partículas de un objeto pierde coherencia y se convierte en una masa de pequeñas ondas en la que la superposición parece desaparecer.

Decoherencia sutil

A este proceso se le denomina decoherencia y es el principal obstáculo para realizar superposiciones cuánticas de objetos grandes que duren lo suficiente para ser observados: cuanto más grande es el objeto, es probable que tenga más interacciones entre sus partículas y más rápido ocurra la decoherencia.

Eso significa que, cuantas más partículas hay en un objeto, más difícil resulta mantener la superposición cuántica. Por lo tanto, si queremos que la superposición tenga una duración significativa con objetos grandes, la solución es restringir las interacciones entre las partículas que lo forman aislando sus respectivos sistemas cuánticos.

Si esto fuera posible, no habría en teoría límite alguno en el tamaño de un objeto que pueda mantener la superposición: el gato de Schrödinger podría convertirse en un elefante y mantener su ambigüedad hasta que un observador intervenga.

Escalada cuántica

La interferencia deliberada de las interacciones entre partículas (decoherencia) se ha conseguido en la práctica con moléculas orgánicas de 6 nanómetros de ancho y el año pasado incluso con una molécula biológica, que alcanzaron así la superposición cuántica sostenida.

El siguiente paso será conseguirlo con virus e incluso con pequeños animales de un milímetro de ancho, como son los tardígrados, señala la revista Quanta.

El proyecto Q-Xtreme se propone seguir escalando experimentos con el mismo espíritu con el que se concibió el gato de Schrödinger y explorar qué sucede con la mecánica cuántica a escalas de tamaño donde la gravedad importa: metafóricamente, con un elefante.

Expandir la escala cuántica a tamaños donde la gravedad importa podría enseñarnos cosas nuevas sobre la mecánica cuántica, la gravedad y los aspectos ocultos del universo, consideran los investigadores.

Física cuántica y gravedad

Los investigadores destacan también que demostrar el principio de superposición cuántica en regímenes de masas sin precedentes abre la puerta para estudiar experimentalmente los modelos de materia oscura y energía oscura.

Estas superposiciones cuánticas macroscópicas darán lugar asimismo a precisiones de detección ultra altas, con aplicaciones en detección de fuerza inercial, mediciones de interacciones de corto alcance y física gravitacional.

Para conseguir estos objetivos, Q-Xtreme llevará la física cuántica macroscópica a un nivel completamente nuevo mediante la preparación de superposiciones cuánticas macroscópicas de objetos que contienen miles de millones de átomos, impulsando el estado de la técnica actual en al menos cinco órdenes de magnitud en masa, según se explica en la presentación del proyecto.

¿Existe la frontera cuántica?

Nadie sabe hasta dónde, en principio, puede continuar esta expansión de la física cuántica.

¿Existe, como algunos piensan, un límite de tamaño en el que simplemente desaparece, quizás porque el comportamiento cuántico es incompatible con la gravedad (que es insignificante para los átomos y las moléculas)? ¿O no hay un límite fundamental a lo grande que puede ser la cuántica?, se pregunta la revista Quanta.

¿Qué tamaño puede tener un objeto y seguir actuando como una onda cuántica? En teoría, cualquier tamaño, añade.

En los próximos años, seguramente, estaremos muy cerca de la respuesta: Q-Xtreme termina en 2027 y espera haber resuelto una cuestión que puede cambiar nuestra forma de entender y gestionar el mundo.

Imagen de portada : Gerd Altmann en Pixabay

FUENTE: Tendencias – Por Eduardo Martínez de la Fe – Periodista Científico – 

Fotografían a una partícula cuántica en un «estado extracorporal».

En un estado exótico de la materia, los electrones se descomponen en dos cuasi partículas cuánticas, una que permanece inmóvil, y otra que vive una «experiencia extracorporal» mientras rebota como un fantasma en un cristal. Hay fotos.

Científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) de Estados Unidos han fotografiado a una partícula cuántica en una especie de «estado extracorporal» totalmente inesperado, rebotando como un fantasma por un material cristalino.

Es la primera vez que los científicos consiguen captar imágenes directas de cómo los electrones se descomponen en partículas similares a espines llamadas espinones, y en partículas similares a cargas eléctricas llamadas holones, después de ser introducidos en un nuevo estado de la materia conocido como Líquido de spin cuántico (QSL).

Ese estado exótico de la materia QSL es como una especie de «líquido» que se caracteriza, entre otras cosas, por su frenesí de entrelazamiento cuántico.

Las partículas cuánticas tienen dos propiedades inherentes e inseparables: el espín, que refleja su momento angular (estado de rotación), y su carga eléctrica. Ambas se pueden alterar en un entorno QSL.

Para entender la importancia de este descubrimiento hay que retroceder hasta 2006, cuando investigadores de la Universidad de Stanford comprobaron por primera vez experimentalmente una teoría que llevaba 40 años esperando verificación.

Ilustración de un electrón que se rompe en partículas fantasma de espín y halones dentro de un líquido de espín cuántico. (Crédito: Mike Crommie et al./Berkeley Lab)

Fotos históricas

Trabajando en la Fuente de Luz Avanzada (ALS) del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de Estados Unidos, el mismo que ha conseguido las históricas fotos, los científicos pudieron comprobar entonces que la excitación colectiva de un sistema de electrones puede conducir a la aparición de dos nuevas cuasipartículas llamadas «espinones» y «holones».

En este estado, el espinón transporta información sobre el espín de un electrón y un holón transporta información sobre su carga, y lo hacen como entidades separadas e independientes.

Es algo paradójico, ya que, trasladado el fenómeno al mundo ordinario, es como si las ruedas de un coche estuvieran orientadas a la derecha y el coche girara a la izquierda, explican los investigadores.

Hasta entonces no se había podido confirmar ni la existencia ni el comportamiento de espinones y halones. Quince años después se ha obtenido el primer testimonio gráfico de ese singular proceso.

Imagen real

“Otros estudios han visto varias huellas de este fenómeno, pero ahora tenemos imágenes reales del estado en el que vive el espinón. Esto es algo nuevo”, explica el líder del nuevo estudio, Mike Crommie, en un comunicado.

Otro de los investigadores, Sung-Kwan Mo, añade: “Los espinones son como partículas fantasma. Son como el gran pie de la física cuántica: la gente dice que los ha visto, pero es difícil demostrar que existen. Con nuestro método, hemos proporcionado algunas de las mejores pruebas hasta la fecha».

En una QSL, los espinones se mueven libremente transportando calor y giro, pero sin carga eléctrica. Para detectarlos, la mayoría de los investigadores se han basado anteriormente en técnicas que buscan sus firmas de calor.

Ahora, como se informa en la revista Nature Physics, Crommie, Mo y sus equipos de investigación, han demostrado cómo caracterizar los espinones en las QSL mediante imágenes directas de cómo se distribuyen en un material.

División insólita

Lo que pudieron apreciar en la imagen obtenida es que, cuando se inyecta en una QSL, un electrón se rompe en dos partículas diferentes, espinones y halones.

Las imágenes obtenidas de esta «separación espín-carga» de electrones, que se produjo en muestras de una sola capa de un sólido cristalino con solo tres átomos de espesor, evidencian en primer lugar que los halones se congelan en su posición.

Forman lo que los científicos llaman una onda de densidad de carga: tiene la forma de una estrella de David (de seis puntas, formada por dos triángulos que se cruzan en seis lugares).

Esquema de la retícula de espín triangular y el patrón de onda de densidad de carga de estrella de David en una monocapa de diseleniuro de tantalo. Cada estrella consta de 13 átomos de tantalio. Los giros localizados están representados por una flecha azul en el centro de la estrella. La función de onda de los electrones localizados está representada por un sombreado gris. (Crédito: Mike Crommie et al./Berkeley Lab)

Experiencia extracorporal

Sin embargo, la imagen permite observar también que los espinones se someten a una «experiencia extracorporal» a medida que se separan de los halones congelados en su posición, y se mueven libremente a través del material.

Esto es inusual, ya que, en un material convencional, los electrones transportan tanto el giro como la carga a medida que se mueven. Estas dos propiedades «no suelen romperse de esta manera tan divertida», dice Crommie.

Y añade: “parte de la belleza de este tema es que todas las interacciones complejas dentro de una QSL de alguna manera se combinan para formar una partícula fantasma simple, que sencillamente rebota dentro del cristal”.

Cúbits más robustos

Valorando la importancia de su descubrimiento, los investigadores consideran que las QSL podrían algún día formar la base de los bits cuánticos (cúbits) robustos que se utilizan para la computación cuántica.

En la computación convencional, un bit codifica la información como un cero o como un uno, pero un cúbit puede contener tanto un cero como un uno al mismo tiempo, acelerando así potencialmente ciertos tipos de cálculos.

Comprender cómo se comportan los espinones y halones en las QSL podría potenciar la investigación en la computación de próxima generación, según los autores de este estudio.

Otra motivación para comprender el funcionamiento interno de las QSL es que se ha predicho que serán un precursor de la superconductividad exótica. Los investigadores se proponen probar esa predicción en la Fuente de Luz Avanzada (ALS).

Referencia

Si lo deseas; por favor clickea en el siguiente link. Muchas gracias.

Evidence for quantum spin liquid behaviour in single-layer 1T-TaSe2 from scanning tunnelling microscopy. Wei Ruan et al. Nature Physics (2021). DOI:https://doi.org/10.1038/s41567-021-01321-0

Foto superior: Jr Korpa. Unplash.

FUENTE: TENDENCIAS – Partícula cuántica – electrones- espinones-holones- Liquido de spin cuántico- Por Eduardo Martínez de la Fe (Periodista Científico).

Confirman mecanismos cuánticos en el cerebro vinculados a la cognición y los movimientos conscientes.

Estructuras cerebrales implicadas en la cognición y las acciones voluntarias utilizan mecanismos cuánticos que, a través del transporte de electrones que no siguen las leyes físicas, permiten iniciar movimientos conscientes y otras facultades superiores.

Una investigación del Instituto de Tecnología e Ingeniería de Materiales de Ningbo, en China, ha descubierto mecanismos cuánticos en estructuras de ferritina de laboratorio que son similares a las que se encuentran en neuronas críticas del cerebro.

Estas neuronas críticas forman parte de estructuras cerebrales implicadas en los movimientos voluntarios conscientes y en los procesos cognitivos, lo que sugiere que al menos determinadas facultades mentales humanas tienen un sustrato cuántico.

El resultado de esta investigación evidencia la existencia de una función cuántica en las capas de proteína de ferritina que se encuentran en las células, incluidas las neuronas, por lo que esa función cuántica estaría ampliamente extendida por el organismo.

Procesos cuánticos

La nueva investigación descubre nuevos aspectos de los procesos biológicos cuánticos que hasta ahora se ha sugerido ocurren en la fotosíntesis, en la mutación del ADN, en el olfato o la visión, en la actividad enzimática, y en la magnetorrecepción que usan los animales para orientarse siguiendo el campo magnético terrestre.

Según investigaciones previas, procesos cuánticos como el efecto túnel o el entrelazamiento pueden estar produciéndose en estos procesos biológicos, señalando la profunda implicación del universo cuántico en los mecanismos de la vida.

Hay otra derivada de la biología cuántica, que se perfila también como posible fuente de los procesos cognitivos e incluso de la consciencia, tal como ha sugerido, por ejemplo, Roger Penrose.

La nueva investigación afianza esta línea de investigación porque plantea con toda claridad que los procesos cuánticos pueden estar implicados en procesos cognitivos y en la toma de decisiones conscientes que ocurren a nivel humano.

Cerebro cuántico

Esta investigación fue diseñada para estudiar el transporte de electrones en estructuras de ferritina desarrolladas en laboratorio, pero que son similares a las que se encuentran en la sustancia negra pars compacta (SNc) y en el locus coeruleus (LC), grupos de neuronas de regiones críticas del cerebro.

La pars compacta contiene neuronas dopaminérgicas implicadas en la fisiopatología de las conductas adictivas. El locus cerúleo es una región anatómica cerebral involucrada en la respuesta al pánico y al estrés.

La investigación sobre la enfermedad de Parkinson ha demostrado también que la destrucción de las neuronas del SNc da como resultado la pérdida de la capacidad de iniciar un movimiento voluntario consciente. Asimismo, que la destrucción de neuronas en el LC da como resultado un procesamiento cognitivo deficiente.

Los resultados de la nueva investigación sugieren que las capas de ferritina presentes en esas estructuras cerebrales podrían proporcionar una función de conmutación que coordine esos grupos de neuronas para realizar la selección de movimientos conscientes y el procesamiento cognitivo, respectivamente, según explica uno de los investigadores, Christopher Rourk, en la revista ScienceX Dialog.

Cuestión de ferritina

La ferritina sería la clave de estos procesos: es la principal proteína almacenadora, transportadora y liberadora de forma controlada de hierro. Se produce por casi todos los organismos vivos.

Anteriormente se había descubierto que la ferritina provoca el así llamado efecto túnel, mediante el cual un electrón supera una barrera infranqueable en la física clásica: se comporta como una onda, en vez de como una partícula. Es un efecto cuántico.

También recientemente se han observado acumulaciones de capas de ferritina en muchos tejidos, incluidos los del cerebro, los melanosomas (orgánulos de pigmentación) y el tejido placentario, espacios orgánicos donde también ocurrirían procesos cuánticos.

La nueva investigación, dirigida por el profesor Cai Shen, ha demostrado que las capas de ferritina no solo conducen electrones a distancias de hasta 80 micrones mediante el efecto túnel, sino que también pueden formar un Aislante de Mott para cambiar de un estado conductor a un estado no conductor.

Un aislante de Mott es un material que “debería” ser metálico (conductor), pero presenta un comportamiento aislante. Según la nueva investigación, este aislante tiene reflejo en la biología porque un estado que debía ser conductor, deja de serlo.

Misteriosa ferritina

Los investigadores plantean la necesidad de realizar investigaciones y pruebas adicionales de los tejidos donde se encuentran acumulaciones de ferritina, para confirmar si organismos vivos utilizan las funciones de transporte y conmutación de electrones para funciones biológicas tan importantes, tal como sugieren los experimentos de laboratorio.

Los autores de esta investigación plantean que la ferritina debe dejar de ser considerada «sólo» como una proteína de almacenamiento de hierro, ya que está dotada de un mecanismo de transporte de electrones mecánico cuántico que estaría implicado en procesos biológicos y cognitivos de gran alcance.

Si ese mecanismo existe y se utiliza para realizar la selección de acciones y el procesamiento cognitivo, podría tener importantes implicaciones para nuestra comprensión de cómo funciona el cerebro, destaca Rourk.

Biología cuántica

Muchos científicos están investigando actualmente la biología cuántica, que es la aplicación de la mecánica cuántica para investigar las funciones biológicas.

Recientemente se ha utilizado para conocer los mecanismos que están detrás de la fotosíntesis o de la forma en que las aves pueden percibir los campos magnéticos, entre otros campos.

Estos efectos biológicos cuánticos generalmente involucran electrones saltando o haciendo túneles a distancias de varios nanómetros, comportamiento que es incompatible con las partículas, pero que tiene sentido si se comportan como ondas siguiendo la dinámica cuántica, concluye Rourk.

Y parece que estos efectos biológicos cuánticos están por todas partes.

Imagen superior: sistema de partículas en 3D, que se construye mediante un flujo de cuerdas, generado en ondas. Richard Horvath, Unplash.

FUENTE: TENDENCIAS – Cerebro – Consciencia – Biología Cuántica – Investigación – Por Eduardo Martinez de la Fe (Periodista Científico)