¿Por qué no vemos gatos de Schrödinger?

Incluso si se evita la decoherencia, la dificultad de realizar una medida perfecta nos impide confirmar la existencia de superposición cuántica en una sistema macroscópico.

Una de las curiosas características de la Mecánica Cuántica es que una partícula puede estar en una superposición de estados sin que ninguno de los dos este definido. Así por ejemplo, un electrón puede estar en dos estados de spin a la vez si así es preparado. Pero según la interpretación de Copenhague, cuando se realiza la medición la función de ondas colapsa y se presenta sólo uno de ellos, el definitivo, que es el que se mide.

Hay otras formas de interpretar ese colapso. Según la teoría de los mundos múltiples de Everet, lo que ocurre es que el Universo se escinde en dos universos cada uno con la partícula en uno de los dos posibles estados. Como para cualquier observador la posibilidad de medir uno u otro estado sólo depende del azar entonces podemos pensar que la cuestión es meramente probabilística.
El caso es que ninguna de estas interpretaciones puede ser puesta a prueba con un experimento (al menos a nadie se le ha ocurrido cómo todavía). Los cálculos se hacen de la misma manera independientemente de cómo interpretemos el asunto.

En los albores de la Mecánica Cuántica (MC) hubo mucho revuelo y discusiones sobre la naturaleza de esta teoría, sobre todo en lo relativo a sus interpretaciones. La teoría funciona muy bien si nos circunscribimos al mundo microscópico de las partículas, átomos y moléculas, pero se puede llegar a situaciones absurdas si queremos aplicarla al mundo macroscópico.

Además de Einstein, que dijo aquello de que “Dios no juega a los dados” para referirse a la Mecánica Cuántica, hubo otros que también la discutían. Einstein, junto con Podolsky y Rosen, enunció la famosa paradoja EPR que trataba de evidenciar los problemas de la “spooky” acción a distancia. Incluso el propio Erwin Schrödinger, el autor de la famosa ecuación que lleva su nombre que describe la evolución de los estados cuánticos en el tiempo (de manera determinista, por cierto) y en el fondo padre de la Mecánica Cuántica Ondulatoria (en contraposición a la matricial de Heisenberg), terminó poniendo pegas a la MC.

Una de las críticas que Schrödinger hizo la ilustró con un experimento mental en el que se usaba un gato. Es lo que se ha llamado el gato de Schrödinger, que ya empieza a aparecer en la cultura popular, incluso en series como The Big bang Theory o Futurama. Lo malo es que normalmente no se suele entender bien esta paradoja.

Schrödinger propuso este escenario en 1935, en él se disponía en una caja cerrada un gato, un átomo radiactivo que podía desintegrarse o no al cabo de un tiempo y un sistema que liberaba un veneno gaseoso en caso de desintegración gracias a un contador Geiger. Digamos que el átomo estaba en una superposición de estados en el que estaba desintegrado o no antes de realizar ningún tipo de medición. Si el átomo, el mecanismo de liberación de veneno y el gato se disponían de la manera adecuada de tal modo que formaran un sólo estado cuántico (en un micro-macro entrelazamiento), entonces, según la interpretación de Copenhague, el sistema estaría en una superposición de estados con el gato vivo y el gato muerto a la vez, y la función de ondas sólo colapsaría a uno de ellos cuando el experimentador abriera la caja (realizara la medición), para comprobar así que el gato está o bien vivo o bien muerto.
Si nos fijamos un poco el enunciado sigue el razonamiento clásico de reducción al absurdo. Si llegamos a algo falso, absurdo o ridículo basándonos en una serie de premisas, entonces alguna de ellas tiene que ser necesariamente falsa. Schrödinger no pretendía realizar el experimento en serio ni creía que el gato podía estar vivo o muerto a la vez, creía que la interpretación de Copenhague estaba mal.

Este caso de micro-macro entrelazamiento ejemplifica las dificultades de coexistencia entre el mundo microscópico regido por la MC y el mundo macroscópico regido por la Mecánica Clásica. Los átomos obedecen claramente las leyes cuánticas, mientras que los gatos obedecen claramente la Mecánica Clásica. La realidad es que los objetos macroscópicos, incluidos los gatos, no existen en superposiciones de estados. Al menos nadie los ha visto.

Normalmente este tipo de paradojas se resuelven echando mano de la decoherencia, según la cual las múltiples interacciones entre el objeto y su entorno destruye la coherencia, la superposición y el entrelazamiento. Este mecanismo permite salvaguardar las diferencias a la hora de describir el mundo microscópico y el macroscópico, e incluso permite conservar la interpretación de Copenhague.
Como resultado el objeto es descrito por la Mecánica Clásica, aunque por debajo esté siguiendo leyes cuánticas a nivel microscópico. Digamos que para un sistema lo suficientemente grande (como un gato) hay tantas partículas en el sistema y en el entorno que necesariamente se rompe la coherencia cuántica y el objeto es percibido como clásico.
Además, este mecanismo evita la utilización de la frase “ningún gato ha sido dañado en el desarrollo de esta teoría cuántica” al final de los artículos publicados en el Physical Review Letters.

Desde hace un tiempo se viene investigando en sistemas mesoscópicos (a medio camino en tamaño entre átomos y objetos macroscócpicos) enfriados cerca del cero absoluto lo mejor aislados del entorno posible para que así exhiban un comportamiento cuántico. Hay ya micromembranas vibrantes que actúan como tambores de Schrödinger, aunque la calidad de estos sistemas para exhibir superposición cuántica es discutible.

Nadie, eso sí, pretende poner gatos en superposición de estados, ni nada que se pueda ver a simple vista con facilidad, pues la decoherencia terminaría con sus comportamientos cuánticos.
Ahora bien, imaginemos que somos muy listos o habilidosos y que conseguimos poner un objeto macroscópico a casi el cero absoluto de temperatura y aislado de tal modo que evitamos totalmente la decoherencia. Nada nos impide, en teoría, hacer algo así.

Pues bien, Sadegh Raeisi, Pavel Sekatski y Christoph Simon publican ahora un resultado en Physical Review Letters (PRL), según el cual, incluso si se evita la decoherencia, la dificultad de realizar una medida perfecta nos impide confirmar la existencia de superposición cuántica en un sistema macroscópico. Digamos que aunque un sistema macroscópico evitara la decoherencia y pudiera estar en una superposición de estados no lo podríamos saber si no tenemos precisión infinita en las medidas.

Estos autores se han planteado qué pasaría si la decoherencia no afectara al gato de Schrödinger, pero en lugar de gato han usado otro tipo de objeto en su experimento mental, concretamente luz, que es más elegante y menos cruel con los animalitos. En la disposición que ellos imaginan se consideran pares de fotones (A y B) generados por la misma fuente en estado de polarización opuestos y que viajan en sentidos contrarios (ver ilustración). Para cada par el fotón A es enviado a un detector, pero el B es duplicado muchas veces por un amplificador hasta crear un haz de luz macroscópico que hace las veces de “gato de Schrödinger”. Entonces se mide el estado de polarización de los fotones de este haz de luz (se mira dentro de la caja).

En el experimento mental consideran dos tipos de amplificadores. El primero mide el estado del fotón B, lo que destruye el entrelazamiento con el fotón A antes de producir más fotones. Este sistema se comporta clásicamente y es equivalente a observar el contador Geiger de la famosa caja para ver si el átomo se ha desintegrado y saber así si el gato está vivo o muerto sin necesidad de mirar al gato. En el segundo sistema de amplificación se realizan copias de B sin efectuar medición por lo que se mantiene el entrelazamiento con A.

Pues bien, si ahora los investigadores se preguntan sobre cómo medir la polarización de los fotones del haz para saber si se ha usado un tipo u otro de amplificación, entonces se darán cuenta de que para distinguirlos se necesita una resolución perfecta. Pero no hay tecnología que permita distinguir millones de fotones de millones de fotones más uno, así que como tal precisión no se puede alcanzar no se puede distinguir un sistema cuántico macroscópico de uno clásico. Quizás el sistema esté en superposición de estados o correlacionado con otro, pero no lo podemos saber.
Incluso si no hay decoherencia el artículo explica por qué no vemos efectos cuánticos extraordinarios en el mundo que para nosotros es y será siempre clásico.

Naturalmente el trabajo versa sobre un sistema en particular y no es un resultado general aplicable a cualquier otro sistema. Así que esto proporciona excusas para que otros teóricos encuentren más ejemplos o contraejemplos.

Y con esto damos por muerto al gato de Schrödinger una vez más, o al menos a la paradoja que describe.

Fuente NeoFronteras