Ingenieros cuánticos crean un «gato de Schrödinger» dentro de un chip de silicio
Este gato metafórico está vivo y muerto de forma simultánea, y ayudará a los ingenieros cuánticos a detectar errores informáticos.
Por Enrique Coperías
Este gato metafórico tiene siete vidas, las suficientes para tener un margen de error en los cálculos cuánticos. Crédito: UNSW Sydney
Ingenieros de la Universidad de Nueva Gales del Sur (UNSW), en Australia, han logrado llevar a cabo en el mundo real un experimento cuántico ampliamente conocido que marca, sin lugar a dudas, un avance significativo en el campo de la computación cuántica.
Sus hallazgos proponen una manera novedosa y más robusta de realizar cálculos cuánticos, con importantes implicaciones para la corrección de errores, uno de los mayores desafíos en el camino hacia la creación de un ordenador cuántico plenamente funcional.
La mecánica cuántica, desde hace más de un siglo, ha desconcertado a científicos y filósofos por igual. Uno de sus experimentos más emblemáticos es el del gato de Schrödinger, un experimento mental en la que un gato puede estar simultáneamente vivo y muerto dependiendo de la desintegración de un átomo radiactivo.
Un gato vivo y muerto a la vez
La metáfora del minino fue propuesta por el físico Erwin Schrödinger en 1935 para ilustrar la paradoja de la superposición cuántica. En este experimento hipotético, un gato es colocado dentro de una caja sellada junto con un átomo radiactivo, un contador Geiger y un vial de veneno.
Si el átomo radiactivo se desintegra, el contador lo detecta y rompe el vial, matando al gato. Según la mecánica cuántica, mientras la caja permanezca cerrada, el átomo está en una superposición de estados desintegrado y no desintegrado, lo que implica que el gato está simultáneamente vivo y muerto. Sin embargo, al abrir la caja y observar, el sistema colapsa en uno de los dos estados: el gato está vivo o muerto, pero no en ambos estados. Este experimento destaca las extrañas implicaciones de la teoría cuántica cuando se aplica a objetos macroscópicos.
«Aunque nadie ha visto un gato real en un estado de estar muerto y vivo al mismo tiempo, esta metáfora se utiliza para describir la superposición de estados cuánticos significativamente distintos» explica el profesor Andrea Morello, líder del equipo de investigación, cuyos resultados han sido publicados en la revista Nature Physics.
Un minino atómico de antimonio
En su estudio, el equipo utilizó un átomo de antimonio, un elemento mucho más complejo que los qubits estándar, las unidades básicas de la computación cuántica. «En este caso, el gato es un átomo de antimonio", señala Xi Yu, autor principal del artículo en una nota de prensa de la UNSW.
Según la mecánica cuántica, mientras no se observe directamente, el átomo debe considerarse en una superposición de estados, coexistiendo simultáneamente como desintegrado y no desintegrado. Esto lleva a la desconcertante implicación de que el gato estaría en una superposición de vivo y muerto, como ya hemos avanzado.
El antimonio es un átomo pesado con un gran espín nuclear, lo que le confiere un significativo dipolo magnético. A diferencia de los qubits estándar que solo poseen dos estados (espín arriba y abajo), el espín del antimonio puede orientarse en ocho direcciones diferentes. «Esta complejidad transforma por completo el comportamiento del sistema —dice Yu. Y coontinúa—: Una superposición de estados opuestos en el espín del antimonio no se limita a arriba y abajo, ya que existen múltiples estados intermedios entre las ramas de la superposición.
De izquierda a derecha: los investigadores de la UNSW Benjamin Wilhelm, Xi Yu, el profesor Andrea Morello y ela doctora Danielle Holmes. Cortesía: UNSW Sydney
Este descubrimiento tiene implicaciones profundas para la construcción de ordenadores cuánticos basados en el espín nuclear de átomos como bloques fundamentales. «En general, los qubits cuánticos se representan como bits con solo dos estados cuánticos: 0 y 1 —comenta Benjamin Wilhelm, coautor del estudio. Y continúa—: Si el espín de un qubit cambia repentinamente de dirección, eso provoca un error lógico inmediato. Sin embargo, en el caso del antimonio, donde hay ocho direcciones posibles, un solo error no basta para desbaratar la codificación cuántica».
Siete vidas, siete errores
La analogía del gato de Schrödinger se enriquece aquí: «Nuestro gato metafórico tiene siete vidas —detalla Yu—. Serían necesarios siete errores consecutivos para transformar un 0 en un 1. Esto proporciona una resiliencia sin precedentes al sistema cuántico». Esta robustez deriva de la naturaleza macroscópica de la superposición de estados del espín de antimonio, lo que convierte a este átomo en una representación tangible del gato de Schrödinger.
El antimonio se encuentra integrado en un chip cuántico de silicio, similar a los que se emplean en dispositivos electrónicos actuales. La doctora Danielle Holmes, quien fabricó el chip, destaca lo siguiente: «Esta integración nos permite controlar de forma precisa el estado cuántico del gato, es decir, su vida y muerte».
Además, utilizar silicio como base tecnológica promete una escalabilidad a largo plazo, empleando métodos ya establecidos en la industria de semiconductores.
En este estudio australiano, el gato es un átomo de antimonio en un chip. Imagen generada con DALL-E
El Santo Grial de la computación cuántica
La importancia de este avance radica en que ofrece un margen de error mayor para los cálculos cuánticos. «Un error, o incluso varios, no comprometen inmediatamente la información —asegura el profesor Morello. Y añade—: Si detectamos un error, podemos corregirlo antes de que se acumule. Es como si nuestro gato regresara a casa con un rasguño; aún está lejos de estar muerto, pero sabemos que hubo una pelea y podemos intervenir antes de que la situación empeore».
El siguiente hito para el equipo será demostrar la detección y corrección de errores cuánticos, considerado el Santo Grial de la computación cuántica. Este logro ha sido posible gracias a una colaboración internacional que involucró a expertos de la UNSW Sydney, la Universidad de Melbourne, laboratorios en Estados Unidos, como Sandia y NASA Ames, y la Universidad de Calgary, en Canadá.
«Este trabajo es un ejemplo sobresaliente de cómo la colaboración internacional puede abrir nuevas fronteras en la investigación científica», concluye el profesor Morello. ▪️
Información facilitada por la UNSW Sydney
Fuente: Yu, X., Wilhelm, B., Holmes, D. et al. Schrödinger cat states of a nuclear spin qudit in silicon. Nature Physics (2025). DOI: https://doi.org/10.1038/s41567-024-02745-0
