Físicos “ven” por primera vez átomos en dos lugares a la vez

Que una partícula pueda estar en dos lugares al mismo tiempo –una extraña posibilidad conocida como superposición cuántica– suena a ciencia ficción. Que dos partículas separadas por cualquier distancia puedan influirse mutuamente de forma instantánea –un fenómeno llamado entrelazamiento cuántico– suena, como mínimo, a magia.

Albert Einstein se refería a este último como una “acción fantasmal a distancia” y se negó a aceptarlo. Sin embargo, un nuevo experimento realizado en Australia acaba de demostrar este comportamiento en un sistema de átomos. Investigadores de la Universidad Nacional de Australia (ANU) han demostrado por primera vez el entrelazamiento cuántico utilizando el momento de átomos con masa, es decir, la propiedad física que describe su movimiento.

El resultado, publicado en Nature Communications, no es solo un logro técnico: también abre una nueva vía para abordar uno de los grandes enigmas de la física moderna, la posible reconciliación entre la mecánica cuántica y la gravedad.

Entrelazamiento cuántico con masa

El entrelazamiento cuántico se produce cuando dos partículas quedan tan estrechamente correlacionadas que el estado físico de una está ligado al de la otra, incluso si ambas se encuentran separadas por grandes distancias. No se trata de una señal que viaje entre ellas: las correlaciones aparecen de forma inmediata cuando se realiza la medición. Y eso, en un universo donde nada debería superar la velocidad de la luz, resulta profundamente desconcertante.

Este fenómeno está además relacionado con otro rasgo fundamental de la mecánica cuántica: la superposición, que permite que una partícula exista simultáneamente en varios estados o trayectorias posibles. En muchos experimentos cuánticos, el entrelazamiento surge precisamente de esas superposiciones.

Por eso, explica el físico Sean Hodgman, investigador principal del experimento, el resultado “confirma las predicciones hechas hace más de un siglo de que la materia puede estar en dos lugares a la vez y puede interferir consigo misma incluso en esos lugares”.

Más allá de los fotones

Lo verdaderamente novedoso del experimento no es la confirmación del entrelazamiento cuántico en sí; eso ya se había logrado antes con fotones –partículas de luz sin masa– o utilizando propiedades internas de los átomos, como el espín.

“Experimentalmente, es extremadamente difícil demostrarlo”, reconoció el autor principal del estudio, el doctorando Yogesh Sridhar. “Varias personas han intentado en el pasado mostrar estos efectos, y siempre se han quedado cortos”, agregó.

La diferencia con este experimento es crucial: los átomos tienen masa. Y la masa está sujeta a la gravedad.

Colisión de átomos y el interferómetro

Para iniciar el experimento, los investigadores enfriaron varias nubes de átomos de helio hasta temperaturas extremadamente bajas, apenas por encima del cero absoluto. En esas condiciones aparece un estado cuántico especial de la materia conocido como condensado de Bose-Einstein, en el que los átomos dejan de comportarse como partículas independientes y pasan a comportarse colectivamente como una única onda cuántica. A partir de ahí, el equipo hizo que dos de esas nubes ultrafrías chocaran entre sí mediante pulsos de luz láser cuidadosamente controlados.

Cuando los átomos colisionaron, no se comportaron como objetos clásicos que simplemente rebotan tras un choque. En lugar de salir despedidos en una única dirección, los átomos siguieron varias trayectorias posibles al mismo tiempo, cada una asociada a un momento distinto. Mientras caían bajo el efecto de la gravedad, atravesaban un dispositivo llamado interferómetro Rarity-Tapster, que permitía medir su momento antes de que finalmente impactaran en un detector.

Los patrones de aterrizaje no dejaron lugar a dudas: los átomos estaban entrelazados. Las mediciones violaron la desigualdad de Bell, el criterio matemático que permite confirmar que la llamada no localidad cuántica es real y no simplemente un artefacto estadístico.

“En el caso de dos átomos separados que están entrelazados, si se cambia uno de ellos, eso afectará instantáneamente al otro”, explicó Hodgman. “Es un poco descabellado pensar que así es como funciona el mundo, ¡pero hemos demostrado que esa es la naturaleza de la realidad!”, añadió, según el comunicado de la ANU.

El helio resultó especialmente adecuado para esta prueba. A diferencia de los fotones, se trata de una entidad mucho más compleja: cada átomo contiene dos protones, dos neutrones y dos electrones. Que una estructura así pueda comportarse como una onda de materia y mostrar entrelazamiento cuántico constituye, según los propios investigadores, una de las demostraciones más claras de lo verdaderamente “espeluznante” que puede ser este fenómeno.

La gravedad cuántica y la teoría del todo

La física moderna arrastra un problema incómodo: sus dos grandes teorías funcionan de forma extraordinaria, pero no encajan entre sí. La relatividad general de Einstein describe con enorme precisión cómo se comporta la gravedad a escala cósmica –planetas, estrellas y galaxias–. La mecánica cuántica, por su parte, explica con igual éxito el mundo subatómico. Sin embargo, cuando se intenta describir un mismo sistema utilizando ambas teorías, aparecen inconsistencias matemáticas. Hasta ahora, nadie ha logrado una teoría que unifique ambos marcos.

El experimento australiano da un pequeño paso hacia ese objetivo. Al trabajar con átomos que tienen masa y, por tanto, sienten la gravedad, los investigadores pueden empezar a plantear preguntas que antes eran prácticamente imposibles de abordar.

“Imagina átomos moviéndose por diferentes trayectorias en el espacio; pueden experimentar distintos efectos gravitacionales”, explicó Hodgman. “Sin embargo, la mecánica cuántica dice que los átomos pueden seguir múltiples trayectorias simultáneamente. ¿Cómo se describe un sistema así en el marco de la relatividad general? Nadie lo sabe realmente”, reconoció el investigador en declaraciones recogidas por ZME Science.

Comprender cómo se conectan estos dos mundos –el cuántico y el gravitatorio– podría acercar a los físicos a lo que durante décadas han buscado: la llamada teoría del todo, el marco unificado que Einstein persiguió durante los últimos treinta años de su vida sin llegar a encontrar.

Próximos pasos: helio-3, helio-4 y el principio de equivalencia

El experimento, sin embargo, aún tiene limitaciones. Para cerrar la llamada “laguna de la localidad” –es decir, descartar definitivamente que las partículas puedan comunicarse entre sí a una velocidad inferior a la de la luz– los átomos deberían estar separados por al menos 30 centímetros durante la medición. En el montaje actual, el detector del equipo tiene apenas 8 centímetros de ancho. Alcanzar la escala necesaria exigirá, según Hodgman, más financiación y probablemente varios años de trabajo adicional, de acuerdo con ZME Science.

Los investigadores también planean llevar el experimento un paso más allá. En el futuro esperan entrelazar isótopos diferentes, como helio-3 y helio-4. Dado que ambos tienen masas distintas, un experimento así podría servir para poner a prueba el principio de equivalencia débil –uno de los pilares de la relatividad general– utilizando partículas cuánticas como masas de prueba.

Por ahora, el resultado ya es suficientemente sorprendente. La materia –con toda su masa y su peso– puede comportarse de formas que desafían por completo la intuición cotidiana. Y el universo, al parecer, es bastante más extraño de lo que incluso Einstein estaba dispuesto a aceptar.