El grupo de Fadel creó un estado en el que el cristal contenía una superposición de un solo fonón y cero fonones. “En cierto sentido, el cristal está en un estado en el que está quieto y vibrando al mismo tiempo”, dice Fadel. Para hacer esto, usan pulsos de microondas para hacer que un pequeño circuito superconductor produzca un campo de fuerza que pueden controlar con alta precisión. Este campo de fuerza empuja una pequeña pieza de material conectada al cristal para introducir fonones individuales de vibración. Como el objeto más grande que exhibe rarezas cuánticas hasta la fecha, impulsa la comprensión de los físicos de la interfaz entre el mundo cuántico y el clásico.
Específicamente, el experimento toca un misterio central en la mecánica cuántica, conocido como el «problema de medición». Según la interpretación más popular de la mecánica cuántica, el acto de medir un objeto en superposición utilizando un dispositivo macroscópico (algo relativamente grande, como una cámara o un contador Geiger) destruye la superposición. Por ejemplo, en el experimento de la doble rendija, si usa un dispositivo para detectar un electrón, no lo ve en todas sus posibles posiciones de onda, sino fijo, aparentemente al azar, en un punto en particular.
Pero otros físicos han propuesto alternativas para ayudar a explicar la mecánica cuántica que no implican mediciones, conocidas como modelos de colapso. Estos suponen que la mecánica cuántica, tal como se acepta actualmente, es una teoría aproximada. A medida que los objetos se hacen más grandes, algún fenómeno aún no descubierto impide que los objetos existan en estados de superposición, y es esto, y no el acto de medir las superposiciones, lo que nos impide encontrarlos en el mundo que nos rodea. Al llevar la superposición cuántica a objetos más grandes, el experimento de Fadel restringe lo que puede ser ese fenómeno desconocido, dice Timothy Kovachy, profesor de física en la Universidad Northwestern que no participó en el experimento.
Los beneficios de controlar las vibraciones individuales en los cristales se extienden más allá de la simple investigación de la teoría cuántica; también hay aplicaciones prácticas. Los investigadores están desarrollando tecnologías que utilizan fonones en objetos como el cristal de Fadel como sensores precisos. Por ejemplo, los objetos que albergan fonones individuales pueden medir la masa de objetos extremadamente ligeros, dice el físico Amir Safavi-Naeini de la Universidad de Stanford. Fuerzas extremadamente ligeras pueden causar cambios en estos delicados estados cuánticos. Por ejemplo, si una proteína aterrizara en un cristal similar al de Fadel, los investigadores podrían medir los pequeños cambios en la frecuencia de vibración del cristal para determinar la masa de la proteína.
Además, los investigadores están interesados en usar vibraciones cuánticas para almacenar información para computadoras cuánticas, que almacenan y manipulan información codificada en superposición. Las vibraciones tienden a durar relativamente mucho tiempo, lo que las convierte en un candidato prometedor para la memoria cuántica, dice Safavi-Naeini. “El sonido no viaja en el vacío”, dice. “Cuando una vibración en la superficie de un objeto o en su interior toca un límite, simplemente se detiene allí”. Esa propiedad del sonido tiende a preservar la información por más tiempo que en los fotones, comúnmente utilizados en prototipos de computadoras cuánticas, aunque los investigadores aún necesitan desarrollar tecnología basada en fonones. (Los científicos todavía están explorando las aplicaciones comerciales de las computadoras cuánticas en general, pero muchos piensan que su mayor poder de procesamiento podría ser útil para diseñar nuevos materiales y fármacos).
En un trabajo futuro, Fadel quiere realizar experimentos similares en objetos aún más grandes. También quiere estudiar cómo la gravedad podría afectar los estados cuánticos. La teoría de la gravedad de los físicos describe con precisión el comportamiento de los objetos grandes, mientras que la mecánica cuántica describe con precisión los objetos microscópicos. “Si piensas en computadoras cuánticas o sensores cuánticos, inevitablemente serán grandes sistemas. Por lo tanto, es crucial comprender si la mecánica cuántica se descompone en sistemas de mayor tamaño”, dice Fadel.
A medida que los investigadores profundizan en la mecánica cuántica, su rareza ha evolucionado de un experimento mental a una pregunta práctica. Comprender dónde se encuentran los límites entre los mundos cuántico y clásico influirá en el desarrollo de futuros dispositivos y computadoras científicas, si se puede encontrar este conocimiento. “Estos son experimentos fundamentales, casi filosóficos”, dice Fadel. “Pero también son importantes para las tecnologías futuras”.