rtículo publicado por Edwin Cartlidge el 21 de septiembre de 2015 en physicsworld.com
Se ha desvelado una propuesta realizada por físicos de Estados Unidos y China para poner una bacteria viva en una superposición de estados cuánticos.
De tener éxito, el experimento sería la primera demostración, aunque a nivel microscópico, del famoso experimento mental de Schrödinger que implicaba un gato en una caja que estaba simultáneamente vivo y muerto hasta que los observadores realizaban una medida observando el interior de la caja.
Además de mejorar nuestra comprensión de las bases de la mecánica cuántica, los investigadores dicen que el experimento propuesto podría también proporcionar una nueva técnica para monitorizar defectos en moléculas biológicas.
Superposición de estados
La superposición es una extraña propiedad del mundo cuántico que permite a un sistema físico, como un átomo o un fotón, existir en dos o más estados cuánticos hasta que se realiza una medida sobre ellos. En los últimos años, los físicos han creado estados de superposición usando objetos inanimados cada vez de mayor tamaño, desde electrones y fotones a átomos, moléculas e incluso minúsculos sistemas mecánicos. Ahora, Tongcang Li de la Universidad de Purdue y Zhang-Qi Yin de la Universidad de Tsinghua proponen hacer lo mismo con un ser vivo, una diminuta bacteria, para llevar a cabo una versión del gato de Schrödinger.
La propuesta implica un minúsculo oscilador mecánico construido por John Teufel y sus colegas del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología en Colorado. Tal oscilador es un disco de aluminio de 15 μm de diámetro y 100 nm de grosor que forma la placa superior de un condensador dentro de un circuito superconductor resonante (LC). En 2011 el grupo de Teufel pudo colocar el oscilador mecánico en su estado fundamental cuántico. Esto se hizo enfriando el aparato en un criostato y luego sometiendo al oscilador a un “enfriamiento de banda lateral”, que implica el acoplamiento de vibraciones mecánicas a radiación de microondas.
Minúscula bacteria
Li y Yin se preguntaron si sería posible colocar un microorganismo en un estado de superposición cuántica fijándolo al oscilador mecánico. El microorganismo tendría que ser tan minúsculo como para que no tuviese efecto sobre las vibraciones del oscilador. Sugieren que una bacteria de micoplasma de 0,02 picogramos podría unirse al oscilador de 48 picogramos mediante la fuerza de van der Waals. El oscilador mecánico junto con el microorganismo se pondrían entonces en una superposición de su estado fundamental y su primer estado excitado.
Los investigadores explican que la superposición se originaría en un bit cuántico superconductor, o qubit, unido al circuito LC, y constaría de corrientes simultáneas en sentido horario y antihorario. Tal superposición induciría una minúscula corriente en el circuito LC que configura una oscilación de microondas con una energía que está aproximadamente a mitad de camino entre los estados fundamentales y de primera excitación. Esto excitaría el oscilador mecánico, que vibraría simultáneamente en los dos estados, y crearía una superposición basada en la vibración del organismo.
Yin comentó a physicsworld.com que el principal desafío al llevar a cabo tal experimento será reunir a los científicos que tienen experiencia tanto con osciladores mecánicos de alta calidad como con resonadores superconductores y qubits. Pero, en el futuro, una vez que esté realizado el experimento, señala, la técnica podría ayudar a poner a prueba la validez de las distintas interpretaciones de la mecánica cuántica.
Encontrar radicales libres
Los investigadores también describen un segundo experimento que podría llevarse a cabo con el mismo aparato. Implicaría escanear una punta ferromagnética montada sobre una ménsula rígida sobre el microorganismo, para entrelazar el movimiento global de la bacteria con los espines de los electrones de su interior. Debido a que esos espines podrían pertenecer a los electrones extra que hay en los radicales libres, este tipo de medida podría permitir la identificación de defectos en el ADN o proteínas de muestras biológicas, señala Yin. Este enfoque podría también permitir el aislamiento de los espines de los electrones, que no pueden conocerse usando técnicas eléctricas u ópticas, de forma que puedan usarse como memorias cuánticas, añade.
La última investigación tiene precedentes. En 2009 Oriol Romero-Isart, entonces en el Instituto Max Planck para Óptica Cuántica, cerca de Múnich en Alemania, y sus colegas propusieron colocar objetos dieléctricos nanométricos, incluyendo microorganismos tales como virus, en superposición cuántica usando levitación óptica y enfriando el movimiento del centro de masas a temperaturas de micro-kelvin dentro de cavidades ópticas en un vacío. Pero Yin dice que los láseres usados para mantener los objetos en su sitio los calentarían, tal vez hasta el punto en el que los virus pierdan su coherencia cuántica. El nueva esquema, por contra, implica el enfriamiento de la temperatura interna de la bacteria a unos 10 mK, un punto en el que el organismo debería congelarse por completo.
Con una actividad química despreciable en su interior, y un minúsculo intercambio de energía con el entorno, el delicado estado cuántico de oscilador y bacteria debería mantenerse durante un tiempo significativo, hasta alrededor de un milisegundo, explica Yin.
La necesidad de enfriar la bacteria a una centésima de grado sobre el cero absoluto invita a una pregunta obvia, ¿tal experimento está demostrando realmente la superposición cuántica de un organismo vivo?
Li cree que lo haría. Dice que la bacteria de micoplasma congelada aún estaría viva, en el sentido de que se reactivaría de nuevo al ser calentada.
Es más, señala que “muchos microorganismos pueden conservarse durante varios años a temperaturas criogénicas sin perder su viabilidad”.
Pero reconoce que el uso de bacterias activas llevaría a experimentos más interesantes. “Dejamos la posibilidad de crear estados de superposición sobre un microorganismo vivo para futuros estudios”, añade.
Se informa de esta investigación en el servidor de arXiv.
