NeoFronteras

Afirman que se pueden puede establecer una correlación cuántica entre bacterias y fotones en una cavidad.

Según la Mecánica Cuántica pueden existir estados que sean la superposición de varios. Así por ejemplo, podemos tener un electrón con dos estados de spin a la vez. Una vez medido, la función de ondas del electrón colapsaría a uno en concreto.

La metáfora-chiste del icónico gato que Schrödinger propuso en 1935 se hizo para criticar el absurdo al que podemos llegar cuando asumimos que un estado cuántico superpuesto puede darse en el mundo macroscópico.

Schrödinger propuso un experimento mental en el que se disponía en una caja cerrada un gato, un átomo radiactivo que podía desintegrarse o no al cabo de un tiempo y un sistema que liberaba un veneno gaseoso en caso de desintegración gracias a un contador Geiger. Digamos que el átomo estaba en una superposición de estados en el que estaba desintegrado o no antes de realizar ningún tipo de medición. Si el átomo, el mecanismo de liberación de veneno y el gato se disponían de la manera adecuada de tal modo que formaran un sólo estado cuántico (en un micro-macro entrelazamiento), entonces, según la interpretación de Copenhague, el sistema estaría en una superposición de estados con el gato vivo y el gato muerto a la vez, y la función de ondas sólo colapsaría a uno de ellos cuando el experimentador abriera la caja (realizara la medición), para comprobar así que el gato está o bien vivo o bien muerto.

El problema en este caso es siempre en qué consiste medir. ¿Es el experimentador el que mide cuando abre la caja?, ¿es el propio gato? Todo depende de cómo se interprete esto y según lo hagamos tendremos una interpretación u otra de la MC. Aunque el resultado calculado no depende de la interpretación.

Una vía de escape es decir que la decoherencia cuántica hace imposible tener objetos como los gatos en una superposición de estados (el estado cuántico pierde su coherencia cuántica al interaccionar con el ambiente que le rodea). No hace falta abrir una caja con un gato real porque el estado ya colapsó hace mucho tiempo y no hay ya superposición de estados.

Otro de los efectos cuánticos más desconcertantes de la Mecánica Cuántica es el del entrelazamiento cuántico en un experimento EPR. En este tipo de experimentos se entrelazan cuánticamente dos partículas (dos electrones o dos fotones, por ejemplo) que podemos llamar Alice y Bob y se disparan en sentidos opuestos. Los estados de ambas partículas estarán indeterminados hasta que una medida colapse el estado de spin o polarización de una de estas partículas, entonces, automáticamente, el estado de la otra quedará totalmente determinado de manera instantánea, incluso si median años luz de distancia. Ya se han realizado experimentos en donde las distancias implicadas son incluso de kilómetros.

Pero siempre está el asunto de en dónde está la frontera entre el mundo raro cuántico y el mundo clásico que observamos. Nadie ha visto casas, gente o planetas en superposición de estados. Desde hace unos años se intenta comprobar hasta dónde se puede llegar en tamaño sin que se pierda la coherencia cuántica. Se tienen este tipo de efectos en agrupaciones de átomos (incluso millones) o en moléculas. Al fin y al cabo, un condesado de Bose-Einstein es ya bastante grande y es un ente cuántico. Hay sistemas superconductores enfriados a muy bajas temperaturas que se comportan cuánticamente. Además, se ha empezado a comprobar que en la húmeda y caliente biología hay también este tipo de casos, como en la fotosíntesis.

¿Será posible tener un organismo completo en superposición de estados, aunque sea una simple bacteria? Hasta el momento no se ha conseguido.

Ahora, un grupo de investigadores de la Universidad de Oxford liderado por Chiara Marletto dice que, al menos, existe un entrelazado cuántico entre bacterias y fotones de luz. Su estudio se basa en los resultados experimentales obtenidos en 2016 por David Coles (Universidad de Sheffield).

Coles y sus colaboradores introdujeron unas bacterias fotosintéticas del azufre dentro de una cavidad formada por dos espejos que se podían poner tan juntos como se desease. Cuando la distancia era de unos cientos de nanómetros comprobaron que la moléculas fotosintéticas de las bacterias se acoplaban a los fotones de la cavidad absorbiéndolos y emitiéndolos de forma coherente. Hasta seis bacterias se pudieron acoplar de este modo.

Marletto y colaboradores sugieren que las bacterias no solamente se acoplaron con la cavidad, sino que, además, el sistema fotosintético de la bacteria terminó estando entrelazado con los fotones de dicha cavidad. Eso es lo que supuestamente se desprende del análisis de la energía implicada, pues algunos fotones parecen estar simultáneamente alcanzando y evitando las moléculas fotosintéticas de la bacteria. Sería la primera vez que un fenómeno así es observado en un organismo vivo.

El resultado está siendo analizado por otros expertos en el campo y todavía no está claro si se puede confirmar el resultado o si hay que realizar más estudios y experimentos. Una pega es que los fotones fueron medidos colectivamente y no independientemente.

De todos modos, muchos piensan que el que aparezcan más efectos cuánticos de este tipo en seres vivos es sólo cuestión de tiempo. Al fin y cabo, se han ido encontrando que se manifiestan con moléculas de origen biológico en los laboratorios.

¿Tienen los efectos cuánticos utilidad en las funciones biológicas y por tanto juega la MC un papel en los seres vivos? Puede que la evolución haya forzado a los organismos a aprovecharse de estos efectos cuánticos de algún modo.

Quizás esta cualidad ahora analizada sea un subproducto evolutivo de una fotosíntesis más efectiva que estas bacterias tienen que realizar en las profundidades oceánicas, lugares en donde la luz es muy escasa.

Uno de los coautores, Tristan Farrow, espera entrelazar dos bacterias entre sí el próximo año.

Simon Gröblacher (Universidad tecnológica de Delft, Holanda) quiere ir más allá y ha diseñado un experimento para poner en superposición cuántica tardígrados. Algo que es mucho más complicado que el experimento antes descrito, pues un tardígrado es un ser pluricelular cientos o miles de veces más grande que una bacteria. Muchos lo ven imposible.

Puede que este tipo de estudios parezcan un juego, pero son importantes a la hora de entender lo que significa ser macroscópico desde un punto de vista cuántico. Al fin y al cabo, este tipo de experimentos versan sobre la comprensión que tenemos de la realidad.

Actualización:

El artículo de Marletto está siendo criticado por expertos del campo. Según muchos de ellos, el resultado experimental original (Marletto no hace ningún experimento, sino que interpreta otro) se puede explicar con un modelo clásico y no se necesita recurrir a exotismos cuánticos. Marletto intenta meter con calzador un modelo semi-clásico en el que toda la bacteria se comportaría cuánticamente, pero dicha interpretación carecería de rigor. Además, una cosa es que ciertas proteínas y moléculas fotosintéticas se comporten cuánticamente y otra que la bacteria que las posea se comporte como tal.

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Fuentes y referencias:
Artículo original 1.
Artículo original 2.
Imagenes: David Coles y colaboradores.