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La dilatación temporal del campo gravitatorio impuesta por la Relatividad General provocaría la decoherencia de los sistemas cuánticos.

Se puede conseguir que un electrón presente una superposición de dos estados de spin a la vez. Sin embargo, no se puede conseguir que un gato de Schrödinger esté vivo y muerto a la vez. Este paso del mundo cuántico al clásico es una de las grandes incógnitas de la Física moderna. ¿A qué se debe esto?
Según un nuevo estudio esta diferencia entre el mundo microscópico y el macroscópico, además de a los mecanismos habituales, también se debería a la dilatación temporal provocada por el campo gravitatorio impuesta por la Relatividad General.
Si esto es así, en la Tierra no se podrán conseguir estados superpuestos de objetos mesoscópicos y habrá que hacer estos estudios en el espacio. Según Igor Pikovski “en algún sitio del espacio interestelar puede que haya una posibilidad de que el gato [de Schrödinger] pueda conservar su coherencia cuántica, pero sobre la Tierra o cerca de cualquier planeta hay escasas esperanzas de que la mantenga.”
Según los físicos austriacos autores de este trabajo, la nueva idea podrá comprobarse experimentalmente en el laboratorio dentro de unos años.
Hasta ahora se asumía que el paso del mundo cuántico al clásico, con la destrucción de estados superpuestos que ello conlleva, se debía a que el sistema alcanzaba cierto nivel de complejidad y la función de onda colapsaba en un estado concreto (el gato Schrödinger o bien está muerto o bien vivo, peor ya no las dos cosas a la vez) por culpa de cualquier influencia externa. En esto consiste la decoherencia. Tan pronto como un estado superpuesto se cruza con una partícula del exterior, siente la presencia de un campo electromagnético o tiene cierta temperatura, el sistema cuántico colapsa a uno de los dos estados de forma irreversible. Digamos que se produce una medida involuntaria del sistema cuántico.
Mantener la coherencia de partículas como los electrones es relativamente fácil. Además, se supone que para objetos grandes se puede evitar la decoherencia si somos capaces de aislar el sistema de toda influencia, por pequeña que sea. Pero con una dificultad enorme. Así, si lo enfriamos cerca del cero absoluto de temperatura y no dejamos que interaccione con nada se podría mantener la superposición para sistemas mesoscópicos o incluso macroscópicos. Bajo este punto de vista, la realidad siempre sería cuántica, pero las funciones de onda de los objetos grandes colapsarían siempre dando lugar al mundo clásico porque sería imposible evitar la decoherencia. Aunque hay varias interpretaciones de lo que es la decoherencia.
Desde hace tiempo se intentan conseguir gatos de Schrödinger mesoscópicos. Así por ejemplo, en 2010 un grupo de la Universidad de California en Santa Bárbara consiguió poner una cinta metálica de 60 micras a casi el cero absoluto de temperatura en una superposición de estados durante unos pocos nanosegundos. Al cabo se ese tiempo aparecía la decoherencia y el sistema se tornaba clásico. ¿Dónde está el límite de tiempo y tamaño? Si estos austriacos tienen razón, en la Tierra los límites impedirían lograr gatos de Schrödinger mesoscópicos durante tiempos largos.
Časlav Brukner (Universidad de Viena) y sus colaboradores han puesto a punto un nuevo modelo o interpretación para explicar la decoherencia cuántica. En esta interpretación la dilatación temporal provocada por el campo gravitatorio jugaría un papel esencial.
Como ya sabemos, pues se ha medido con relojes atómicos, el tiempo no pasa de la misma manera a nivel del mar que la cumbre de una montaña. A nivel del mar pasa más lentamente y el tiempo pasa más rápido en la montaña o en el espacio. Esto se debe a la curvatura del espacio-tiempo que la Relatividad General predice que se da cuando tenemos una masa. En esta curvatura consiste básicamente la gravedad según esta teoría (“teoría” es la máxima categoría de verosimilitud que se tiene en ciencia).
En el artículo que han publicado estos físicos se considera un objeto macroscópico constituido por partículas (hasta aquí nada especial) que vibran a diferentes frecuencias. Estas partículas están en una superposición de estados cuánticos y se encuentran a distintas distancias de un objeto masivo. La dilatación temporal hará que el estado de la partícula más cercana a la masa vibre a una frecuencia menor que los demás debido a la dilatación temporal. Entonces calculan cuánta dilatación temporal sería necesaria para poder diferenciar las frecuencias de tal modo que dos estados se separen y no puedan ya influenciarse entre sí.
Bajo este esquema han descubierto que incluso el débil campo gravitatorio terrestre es suficiente como para provocar la decoherencia de objetos pequeños. Un objeto de un gramo hecho de carbono (unos 10²³ átomos) que esté en una superposición de estados colapsará en un milisegundo bajo la influencia del campo gravitatorio terrestre si la separación entre sus partículas constituyentes es de sólo una micra.
Incluso en un objeto cuántico macroscópico absolutamente aislado de todo de tal modo que nada interfiera con él, la decoherencia aparecería de todos modos por el propio campo gravitatorio que él mismo objeto crea.
“En la mayoría de la situaciones la decoherencia se debe a algo externo, aquí es como si el meneo interno estuviera interactuando con el movimiento de la propia molécula”, dice Pikovski.
Anteriormente se había medido la dilatación temporal experimentalmente, pero usando dos relojes atómicos, uno se dejaba en tierra y otro se montaba en un avión. Al regreso del avión se comparaban los relojes y podía comprobar que el del avión marcaba que había transcurrido más tiempo. Es decir, dos relojes en dos posiciones distintas.
Lo ideal sería, en este caso, usar sólo un reloj en superposición de estados, pero no es sencillo hacer esto porque el efecto de la dilatación es menor que otras fuentes de decoherencia (vibraciones térmicas, campos electromagnéticos, otras partículas), lo que significa enfriar el sistema (un interferómetro por ejemplo) hasta el milikelvin, someterlo al vacío y aislarlo completamente.
Todo ello requeriría una superposición mil veces más grande de lo habitual que durase mil veces más de lo usual con el equipamiento actual. Pero esto no significa que no se pueda hacer en un futuro relativamente cercano.
Hendrik Ulbricht, un físico experimental de University of Southampton, dice que va a tratar de comprobar esta idea experimentalmente. Calcula que en una década será tecnológicamente posible.
Andrew Briggs (University of Oxford) ya trabaja en estados superpuestos usando nanotubos de carbono vibrantes. Cree que podría adaptar sus experimentos para comprobar la idea de Pikovski y compañía.
Una manera de comprobar experimentalmente este efecto sería enviando átomos de cesio que hagan el papel de relojes a lo largo de los brazos de un interferómetro. En una primera ronda el interferómetro se dispondría horizontalmente y se registraría el patrón de interferencia asociado. Luego, en una segunda ronda de experimentos, se haría lo mismo con el interferómetro situado verticalmente, lo que provocaría que uno de los brazos se alejase del campo gravitatorio terrestre y sufriera una dilatación temporal distinta al resto. Luego se compararían ambos patrones de interferencias. En el segundo caso el patrón de interferencia debe de desaparecer si la idea es correcta.
Otra manera de observar este fenómeno sería usar moléculas muy grandes y tratar de conseguir estados superpuestos con ellas. Hasta ahora se han realizado experimentos con moléculas de 810 átomos, pero se calcula que se necesitarían moléculas un millón de veces más masivas para apreciar el efecto de la dilatación temporal.
El nuevo resultado desafía la idea aceptada de que sólo los campos gravitatorios muy intensos pueden ejercer una influencia importante en los fenómenos cuánticos. Pero, desde un punto de vista fundamental, en realidad no es nada realmente nuevo, pues el campo gravitatorio no es más que otro campo interaccionando con el sistema cuántico en superposición.
Obviamente, el elefante en la sala es la posible teoría cuántica de la gravedad, que alteraría todo esto y que estos físicos no mencionan (principalmente porque aún no contamos con una de estas teorías que funcione). Al fin y al cabo, la Relatividad General es una teoría clásica.
En cuanto a sus aplicaciones prácticas, en el campo de la ciencia básica este fenómeno podría permitir realizar tests sobre la Relatividad General muy precisos o ayudar en la búsqueda de una teoría cuántica de la gravedad. Además, este trabajo puede mejorar la construcción de un futuro computador cuántico al ayudar a eliminar las posibles fuentes de decoherencia no buscadas. También se podría usar en Geodésica de alta precisión.
En fin, puede que dentro de unos años veamos experimentos cuánticos en la Estación Espacial Internacional. O no.

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Fuentes y referencias:
Artículo original.
Artículo en ArXiv.
Foto: Shutterstock/S Castelli.