Al borde de dos físicas: qué es la rotación cuántica y cómo medirla

¿Qué hace que un fenómeno sea cuántico? Esta pregunta ha inquietado durante décadas a un pequeño pero dedicado grupo de científicos, principalmente físicos cuánticos. Ahora, un equipo de la Universidad de Nueva Gales del Sur ha encontrado una respuesta inesperada, demostrando que incluso una sola partícula en rotación puede mostrar signos indiscutibles de comportamiento cuántico.

El misterio radica en la naturaleza misma de nuestro mundo. En física hay dos conjuntos de reglas para describirlo. La mecánica clásica explica el comportamiento de los objetos familiares, desde manzanas que caen hasta planetas: se mueven en trayectorias definidas, tienen una posición específica en el espacio y obedecen a relaciones causales estrictas. Pero cuando las personas comenzaron a estudiar el mundo a microescala, estas reglas dejaron de funcionar. A nivel de átomos y partículas elementales, operan las leyes de la mecánica cuántica: las partículas pueden estar en varios lugares simultáneamente, atravesar barreras e influirse instantáneamente entre sí a cualquier distancia. Los investigadores llevan mucho tiempo intentando entender dónde exactamente está la frontera entre estas dos realidades.

La historia de la investigación comenzó hace cien años, cuando los físicos holandeses Samuel Goudsmit y George Uhlenbeck propusieron una hipótesis revolucionaria. Sugirieron que las partículas elementales, como los electrones que forman la capa exterior de los átomos, nunca están en reposo. En su lugar, giran constantemente como pequeñas peonzas.

Según la teoría original, la rotación, o espín, solo puede ocurrir en dos direcciones: en sentido horario o antihorario – los físicos llaman a estos estados "espín arriba" y "espín abajo". Es precisamente la naturaleza binaria del espín de los electrones (la capacidad de girar solo en dos direcciones) lo que los hace similares a los bits en las computadoras convencionales, que solo toman dos valores – 0 o 1. Pero a diferencia de los bits normales, los cuánticos están simultáneamente en ambos estados gracias a la superposición cuántica. Esta propiedad permite a las computadoras cuánticas realizar algunos cálculos mucho más rápido que las máquinas clásicas.

En 1925, la teoría de los electrones giratorios causó un verdadero revuelo en la comunidad científica. En ese momento, la física estaba definida por titanes de la ciencia como Albert Einstein, Max Planck y Paul Ehrenfest – científicos cuyas teorías de la relatividad y la mecánica cuántica cambiaron completamente nuestra comprensión de la realidad. Cuando el premio Nobel Hendrik Lorentz criticó la teoría del espín, Uhlenbeck dudó y quiso retirar el artículo. Sin embargo, su mentor Ehrenfest insistió en la publicación, señalando irónicamente: "¡Ambos son lo suficientemente jóvenes para permitirse una tontería!"

La resistencia a las nuevas ideas es un fenómeno común en física. Como señaló acertadamente Planck, la ciencia avanza de funeral en funeral. Incluso hoy, muchos físicos estudian con libros de texto que contienen nociones contradictorias sobre la naturaleza del espín. Por un lado, afirman que el espín es una propiedad cuántica fundamental, necesaria para entender el comportamiento de los electrones y núcleos atómicos. Por otro lado, sostienen que la rotación misma de la partícula puede describirse completamente por las leyes de la física clásica.

Existe una confusión similar en la comprensión de otros sistemas físicos. Tomemos, por ejemplo, el oscilador armónico – cualquier sistema que realiza oscilaciones regulares, cuyo ejemplo más simple es un péndulo común. Según el teorema de Ehrenfest de 1927, es imposible distinguir las oscilaciones de un péndulo cuántico del movimiento de un columpio normal en un parque.

Boris Tsirelson propuso una manera inesperada de distinguir el comportamiento cuántico del clásico. Si se prepara un sistema cuántico en un estado especial – cuando está simultáneamente en dos configuraciones opuestas – se pueden observar desviaciones de las leyes clásicas de la física. En el caso del péndulo, esto significa que de alguna manera oscila simultáneamente en diferentes direcciones, lo que es imposible, por ejemplo, para un columpio normal en un parque.

Quince años después, el grupo de Valerio Scarani se topó con esta idea y comprendió: lo mismo debería funcionar para las partículas giratorias. Si se hace que una partícula gire simultáneamente en diferentes direcciones, se podrá demostrar matemáticamente su naturaleza cuántica.

Cuando los investigadores de la Universidad de Nueva Gales del Sur comenzaron el experimento, se encontraron con una paradoja. Inicialmente, la teoría se construyó alrededor de los electrones, pero precisamente con ellos no se pudo realizar el experimento. La razón es tanto inesperada como bastante obvia: el electrón tiene un sistema de rotación demasiado simple – solo dos direcciones posibles. Parecería que esto debería simplificar la tarea, pero resultó lo contrario. Con un conjunto tan limitado de estados, el electrón solo puede girar según las leyes de la física clásica, como una peonza normal. Para ver un comportamiento verdaderamente cuántico, se necesitaba una partícula más compleja.

Los núcleos del átomo de antimonio vinieron al rescate. A diferencia del electrón, el espín de este núcleo puede apuntar en ocho direcciones diferentes, lo que abre muchas más posibilidades para el experimento. Los científicos lograron poner el átomo en un estado de "gato de Schrödinger". Esto es cuando la partícula está simultáneamente en una superposición de dos direcciones opuestas de espín.

El protocolo de Tsirelson-Scarani vino al rescate. Hasta ahora, los investigadores habían utilizado en los experimentos instalaciones de resonancia de espín, que solo podían determinar la dirección media de rotación de la partícula. El nuevo enfoque permitió medir la positividad del espín – una cantidad matemática especial que muestra qué tanto se desvía el comportamiento de la partícula de todos los modelos clásicos posibles.

En el experimento con el núcleo de antimonio, los científicos primero crearon un estado cuántico especial, en el que la partícula estaba simultáneamente en dos configuraciones diferentes de rotación. Luego realizaron una serie de mediciones complejas, analizando cómo cambia la positividad del espín en el tiempo. Si el núcleo obedeciera las leyes de la física clásica, el valor de la positividad no podría exceder cierto límite. Sin embargo, las mediciones mostraron que este límite fue superado, lo que demuestra matemáticamente la naturaleza cuántica de la rotación.

Más aún, los investigadores pudieron evaluar cuantitativamente el grado de "cuanticidad" – qué tanto difiere el comportamiento de la partícula de cualquier análogo clásico posible. Precisamente estas mediciones proporcionaron las primeras pruebas directas e irrefutables de que el espín es realmente una propiedad cuántica, y no simplemente una rotación clásica compleja, como se pensaba anteriormente.

El descubrimiento es importante no solo para comprender las leyes fundamentales de la ciencia. Con la ayuda del protocolo de Tsirelson-Scarani, estos son precisamente los estados que dan a las computaciones cuánticas y los sensores cuánticos una ventaja sobre los sistemas clásicos. Probablemente, en el futuro descubriremos cómo usar estas propiedades especiales para crear tecnologías nuevas y aún más avanzadas.