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Experimento cuántico con microbio de Schrödinger

Área: Física — domingo, 20 de septiembre de 2015

Plantean un experimento cuántico en el que en lugar de un gato de Schrödinger se use un microbio.

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La Mecánica Cuántica (MC) es rara, pero sólo se aplica al mundo de lo pequeño. Así lo quiso exponer Schrödinger cuando propuso el experimento mental del famoso gato.
Las propiedades cuánticas están asociadas a su función de onda y esta puede estar en una superposición de estados que colapsa hasta un estado determinado una vez que medimos. Antes del colapso el sistema está en esos dos estados a la vez.
Un átomo radiactivo tiene cierta probabilidad de desintegrarse (pongamos un 50%) pasado un tiempo. Si se asocia este átomo a una ampolla de veneno situada dentro de una caja en donde hay un gato de tal modo que si el átomo se desintegra se rompe la ampolla, entonces tendremos una situación interesante.
Según la MC, haciendo un uso estricto de ella y aplicándola a sistemas de cualquier tamaño, el experimentador colapsará la función de ondas del sistema cuando mire qué hay en la caja de tal modo que el gato estará ya vivo o muerto. Pero antes de eso el gato de Schrödinger estará vivo y muerto a la vez. Digamos que hay una superposición de los estados vivo y muerto.
Schrödinger propuesto esta idea para ridiculizar una interpretación de la MC que extendía la superposición de estados hasta objetos macroscópicos. Ahora sabemos que la decoherencia puede destruir la superposición cuántica mucho antes de que el experimentador haga nada. Además, incluso asumiendo la interpretación radical, el gato ya puede considerarse que es el experimentador, así que no hacen falta humanos que miren y colapsen funciones de onda.
El caso es que la superposición de estados es algo muy difícil de mantener, incluso aunque se trate de átomos solitarios. Cualquier perturbación destruye la coherencia del sistema y la función de ondas colapsa, incluso si no hay humanos mirando. Durante cuánto tiempo se pueda mantener la coherencia dependerá, entre otras cosas, de la temperatura y del tamaño del sistema.
La capacidad de mantener la coherencia durante mucho tiempo es una necesidad cuanto se trata de crear el computador cuántico. Este, de momento, se basa en iones enfriados hasta cerca del cero absoluto de temperatura. Los qbits de información de este tipo de computadoras son almacenados por estos iones y, de momento, son sólo unos pocos. Las computadoras cuánticas actuales computan poca cosa.
No obstante, sí se ha conseguido mantener una superposición de estados más allá del átomo. La construcción típica es una lámina vibrante, o lo que se ha llamado un “tambor de Schrödinger”. En este caso una lámina microscópica (compuesta por muchísimos átomos) se la hace estar en dos estados de vibración a la vez. Cuando se mide la lámina colapsa a uno de esos estados.
La pregunta es en dónde está el límite. ¿Podemos poner un objeto mesoscópico o incluso macroscópico en una superposición de estados? En teoría sería posible poner un tambor real en una de estas superposiciones, pero sería necesario colocarlo a una temperatura casi igual a la del cero absoluto y aislarlo de cualquier influencia. Además, estaría en esa superposición por un tiempo tan corto que no lo podríamos ver o medir. ¿Y un gato? ¿Se podría poner un gato en una superposición de estados? Bueno, un gato es un objeto demasiado grande, cálido y húmedo como para colocarlo en esa superposición. Es una pena porque con partículas se puede realizar el teletransporte cuántico de estados, así que hacerlo con gatos sería interesante.
Sin embargo, hemos visto por estas mismas páginas que la evolución ha conseguido este tipo de efectos cuánticos en sistemas biológicos como la fotosíntesis.
Entonces, la pregunta es en dónde está el límite. Quizás se puedan poner microbios en una superposición de estados.
Esto es precisamente lo que propone Tongcang Li (Purdue University) y sus colaboradores, aunque todavía no lo han realizado físicamente. La idea es colocar un microorganismo sobre un tambor de Schrödinger (sobre su centro de masas) y colocar el sistema en una superposición de estados. Si se consigue que la membrana esté en una superposición de estados entonces el microbio también lo estará. Esto haría que el microbio pudiera estar en dos sitios a la vez hasta el colapso de la función de ondas del sistema. Quizás lo más interesante es que quieren hacer esto con un microorganismo vivo.
La idea se basa en recientes avances en el campo de los tambores de Schrödinger (osciladores electromecánicos) cuyo estado está entrelazado con un campo de microondas. Las láminas de estos tambores pueden llegar a medir 15 micras de tamaño. En este caso sin microbio se ha conseguido ya la preparación del movimiento del centro de masas de este sistema en superposición de estados y se ha conseguido también su teletransporte.
Los autores de este nuevo estudio quieren usar un microorganismo con una masa que sea menor que la masa de la membrana o lámina vibrante para que así no afecte al factor de calidad de la misma y pueda ser enfriada hasta el estado fundamental de vibración. Además, lo que es quizás más importante, los estados internos del microorganismo, como el spin del radical de glicina, pueden ser preparados también en una superposición de estados.
Puestos a justificar este tipo de cosas desde un punto de vista práctico, se puede especular que esto pueda usarse para mejorar el desarrollo de la computación y criptología cuántica.
La propuesta de este experimento puede ser realizada con la tecnología actual, según los autores del estudio. Aunque Li necesitará la colaboración de otros investigadores con experiencia en el campo.

Actualización:
Leyendo en detalle la propuesta este grupo de investigadores no propone literalmente poner en superposición de estados un microorganismo vivo. En realidad quieren congelar a un micoplasma hasta cerca del cero absoluto de temperatura (a 10 mK).
La lámina vibrante pesaría 48 pg frente a los 0,02 del micoplasma, que sería colocado en el centro. Esperan lograr la superposición durante un tiempo superior a los milisegundos.
Luego se descongelaría el micoplasma, que volvería a la vida. Como el microorganismo no muere en el proceso, los investigadores afirman que se habría realizado con un organismo vivo.
Obviamente, bajo estos parámetros el experimento es realizable. Lo de haberse realizarlo con un ser “vivo” es algo mucho más discutible.
En un segundo experimento se usaría un punta ferromagnética de tipo escáner sobre el mismo dispositivo para lograr un entrelazamiento con los electrones de la bacteria, electrones que podrían pertenecer a los radicales libres que hubiera en ella y así saber más sobre el ADN o las proteínas de las que está hecha.

Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=4762

Fuentes y referencias:
Artículo original.
Gráfico: Tongcang Li y colaboradores.

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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9 Comentarios

  1. lluís:

    “los estados internos del microorganismo, como el spin de del radical glicina pueden ser preparados también en una superposición de estados”. ¿Significa esto que el microorganismo, como un todo, puede hallarse en una superposición de estados, meintras que habría partes internas del microorganismo que no se hallarían en tal superposición de estados?.

  2. NeoFronteras:

    Estimado Lluís:
    La verdad es que esa propuesta se entiende mal. No sé en cómo puede ayudar esto del spin de la glicina, pero si los autores lo proponen por algo será.
    De todos modos de la propuesta a la realización experimental hay un trecho y no parece sencillo. Pero que lo hagan. Será fascinante.

    Incluso se podría preparar un haz de bacterias y lanzarlas sobre una doble rendija, ¿habría patrón de difracción?
    O se podría preparar el spín de sus glicinas y hacer un experimento de tipo Stern–Gerlach.

    La verdad es que no se entiende que no se haya intentado antes algo de esto.

  3. lluís:

    – Pues la verdad es que no veo porqué no debería haber patrón de difracción en el supuesto de hacer un experimento con un haz de bacterias.

    – Si mal no recuerdo el experimento de Stern_Gerlach fue hecho con un solo electrón y demostró que el electrón tiene un momento angular intrinseco.

    – Sí, creo que sí, que se podría haber intentado algo de eso.

  4. NeoFronteras:

    Esta entrada se ha actualizado.

  5. Yi:

    Lo que no entiendo es como se puede saber que un sistema como el “tambor de Schrodinger” está en una superposición de estados si precisamente no puede observarse mientras está así… Alguien puede explicarme? Gracias.

  6. Yi:

    No comprendo como puede observarse algo que está en una superposición de estados si justamente cuando intentamos verlo destruimos la superposición… Alguien podría explicarme eso, por favor? Gracias.

  7. lluís:

    – Esa actualización está muy bien. Al menos ahora veo más problemas en el asunto de difractar bacterias, si se enfoca desde el punto de vista sobre si las bacterias morirían o no en el experimento. Todo gira, creo, en la filosófica discusión “vivo-muerto”. Ese micoplasma, se podría defender que efectivamente está vivo, aunque “ligeramente congelado”. Y si luego volviera a la “vida”, pues es que no habría estado muerto, la ” resurrección” resulta un tanto increíble.

  8. NeoFronteras:

    Yi:
    Los estados cuánticos (superpuestos o no) se preparan. Es decir, se diseña el experimento para alcanzar esa disposición. De todos modos existe cierto tipo de medidas que no destruyen dicho estado, aunque desconozco cómo se hace en el caso del tambor.

  9. Yi:

    Pienso que podría ser algo como así… Pongo un instrumento que pueda medir cuatro estados: arriba, abajo, izquierda y derecha. Luego como dice NeoFronteras preparo un estado cuántico en una superposición que no conozco… entonces hago la observación y el instrumento registra por ejemplo a la vez arriba y derecha, entonces sé que esa era la superposición, aunque al hacerlo ella se eche a perder… Es como si el gato muerto hiciera pitar el timbre de la izquierda y el gato vivo el de la derecha y de pronto empezaran a sonar ambos al mismo tiempo… es decir la superposición de estados cuánticos se vería como dos observaciones clásicas distintas al mismo tiempo (entonces el tambor se vería como algo borroso). Es esto razonable?

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