Un "gato de Schrödinger" hecho de luz supera el récord anterior

Físicos crearon un estado óptico híbrido de gato de Schrödinger de tamaño récord, en el que la luz existe simultáneamente en dos estados distinguibles y permanece entrelazada cuánticamente con un fotón individual. En el experimento el parámetro de tamaño de ese gato α² alcanzó 2,4 frente al anterior récord de 1,4.

No hay ningún gato real en el montaje, por supuesto. El papel del animal del famoso experimento mental lo desempeña un pulso de luz. En la física habitual el sistema debería elegir un estado, pero la mecánica cuántica permite mantener varias alternativas hasta la medición. En este caso los investigadores forzaron a la luz a estar en superposición de dos estados coherentes, que se pueden imaginar como dos posiciones distintas de la misma onda luminosa en el espacio de fases.

cuanto más separadas estén esas componentes, mayor es el tamaño del gato cuántico y más fácil resulta que el entorno lo destruya. Las pérdidas mínimas de luz, el ruido o la interacción con el mundo exterior borran poco a poco la correlación cuántica entre las dos alternativas. Por eso aumentar el parámetro α² de 1,4 a 2,4 es importante: los físicos lograron separar las componentes de la superposición notablemente y aun así conservar sus propiedades cuánticas.

El instrumento principal fueron átomos en estado de Rydberg. Un electrón en tal átomo recibe mucha energía y se aleja bastante del núcleo. Debido a la enorme nube electrónica, los átomos excitados comienzan a sentir a los vecinos con especial intensidad. Gracias a esto un fotón puede cambiar notablemente las condiciones por las que pasa otro, aunque las partículas de luz en condiciones normales casi no interactúan entre sí.

Los investigadores utilizaron este efecto como una especie de interruptor cuántico. Primero el fotón de control se ponía en superposición de dos caminos. En una variante el fotón se convertía dentro de un resonador óptico en una excitación colectiva de Rydberg en los átomos; en la otra evitaba el resonador. Luego pasaba por el montaje el pulso óptico principal. Si la excitación de Rydberg estaba presente, el resonador cambiaba la fase de la luz en π, es decir, invertía efectivamente la onda respecto a la segunda variante.

Al recuperar el fotón de control se obtenían dos estados distinguibles del pulso de luz, vinculados a dos variantes de su polarización. Esa conexión crea el gato híbrido: una parte del sistema cuántico se almacena en el estado continuo del campo de luz y la otra en el estado discreto del fotón individual.

El montaje se basa en la transparencia electromagnética inducida en átomos de Rydberg. El nombre suena más complicado que el principio. Un láser hace que el medio atómico deje pasar la luz donde, sin la acción adicional, la absorbería. Si dentro del medio aparece una excitación de Rydberg, la fuerte interacción entre átomos altera las condiciones de paso de la luz. Ese mecanismo permite controlar fotones individuales mucho más fuertemente que los materiales ópticos habituales y, al mismo tiempo, combatir la decoherencia, es decir, la destrucción progresiva de la superposición.

Los físicos crearon seis estados de distinto tamaño y los comprobaron mediante tomografía cuántica. En esencia, los investigadores midieron la luz muchas veces desde distintos puntos de vista y luego reconstruyeron su estado cuántico, de forma análoga a cómo la tomografía computarizada reúne una imagen volumétrica a partir de múltiples radiografías.

En todos los estados impares obtenidos del gato la función de Wigner presentaba regiones negativas. La función de Wigner sirve como una especie de mapa del estado cuántico de la luz. La luz clásica ordinaria puede describirse sin áreas negativas, por eso la aparición de esas regiones indica un comportamiento que no puede reducirse a la óptica clásica habitual.

Incluso el gato más grande conservó el entrelazamiento cuántico. Para α² = 2,4 la fidelidad con el estado de Bell fue del 51,2 ± 0,4%. Para el criterio utilizado el umbral está en 50%, por lo que el resultado lo superó algo, pero de forma estadísticamente significativa.

El récord anterior se estableció en 2019 con un solo átomo dentro de un resonador óptico de alta calidad. Entonces α² alcanzó 1,4. Los esquemas con materiales ópticos no lineales convencionales habían obtenido valores del orden de 0,8, por lo que el conjunto de Rydberg aumentó notablemente la distancia entre las dos partes de la superposición.

Hasta gatos cuánticos verdaderamente enormes los físicos aún están lejos. El problema principal siguen siendo las pérdidas de fotones: al formar el estado las pérdidas efectivas alcanzaron el 20,2 ± 1,1%, y el sistema de detección perdió además alrededor del 21% de la luz. También afectaron el tiempo limitado de interacción, la bloqueo de Rydberg incompleta, la interacción entre fotones dentro del propio pulso y el ruido de fase de los láseres.

Los autores proponen aumentar la duración de los pulsos de luz, reducir el radio del conjunto atómico y estabilizar los láseres con mayor precisión. Cálculos previos de ese mismo grupo mostraban que el esquema de Rydberg potencialmente puede funcionar también con estados ópticos mucho mayores, sin embargo el experimento actual aún no ha alcanzado tales escalas.

Los estados híbridos interesan para las tecnologías cuánticas porque combinan dos maneras diferentes de almacenar información. Una usa estados cuánticos discretos, por ejemplo la polarización del fotón; la otra codifica datos en propiedades continuas del campo de luz. Sistemas similares se consideran para la computación cuántica óptica y la transmisión de información cuántica. El nuevo trabajo aún no demuestra un ordenador o un canal de comunicaciones listo, pero muestra que es posible crear y mantener superposiciones de luz grandes mejor que antes.