Para los investigadores, este hallazgo representa un avance fundamental en nuestra comprensión de la mecánica cuántica
Acaban de sacudir los cimientos de la física: descubren que la precesión cuántica rompe con las reglas del mundo clásico
Físicos demuestran que la precesión del espín nuclear no siempre sigue las reglas clásicas. Este hallazgo rompe con ideas aceptadas y prueba el comportamiento cuántico de un solo núcleo atómico.
Sacuden los cimientos de la física: descubren que la precesión cuántica rompe con las reglas del mundo clásico. Fuente: Midjourney + Newton
Eugenio M. Fernández Aguilar
Físico, escritor y divulgador científico. Director de Muy Interesante Digital
17.02.2025
La imagen clásica de la física nos dice que ciertos movimientos, como el de un giroscopio o una rueda giratoria, siguen reglas predecibles. Desde hace décadas, se ha asumido que el giro de los núcleos atómicos también encaja en este marco. Pero, ¿qué pasaría si una medición extremadamente precisa revelara que estos diminutos sistemas no se comportan como se esperaba? La frontera entre la física clásica y la cuántica sigue siendo noticia.
Un equipo de físicos ha demostrado que, en condiciones muy específicas, la precesión de un espín nuclear se aparta de lo que dicta la física clásica. En un artículo publicado en Newton, los investigadores han logrado una prueba directa de que el espín de un núcleo atómico es un fenómeno cuántico en sí mismo. Este hallazgo desafía la visión establecida y podría abrir nuevas puertas en el ámbito de la computación y la detección cuántica.
La precesión del espín: entre la física clásica y cuántica
Desde hace más de medio siglo, los experimentos con resonancia magnética nuclear han mostrado que los espines de los átomos se alinean y giran de una forma predecible en presencia de un campo magnético. Esta regularidad ha llevado a asumir que su precesión no es distinta a la de un objeto macroscópico girando en el espacio.
Sin embargo, la mecánica cuántica ha demostrado en múltiples ocasiones que, a nivel microscópico, las partículas pueden exhibir comportamientos inesperados. La pregunta era: ¿cómo demostrar que un solo núcleo atómico es realmente cuántico solo observando su precesión? Hasta ahora, parecía imposible.
La clave del nuevo experimento fue crear un estado especial del espín en el que sus propiedades cuánticas pudieran detectarse de manera clara. Para ello, los investigadores recurrieron a un elemento poco convencional: el antimonio (Sb-123), un átomo que permite una gran precisión en su control y medición.
Comparación entre la precesión del espín en regímenes clásico, semiclasico y cuántico, mostrando cómo solo en el caso cuántico emergen patrones de interferencia que revelan su verdadera naturaleza. Fuente: NewtonUn experimento que rompe las reglas
El estudio utilizó un solo núcleo de antimonio implantado en un chip de silicio. Con un sofisticado sistema de medición, los científicos midieron la orientación del espín en siete puntos diferentes durante cada rotación. Según la física clásica, la probabilidad máxima de encontrar el espín en una dirección positiva debía ser de 4 de cada 7 veces (0,571).
Pero al aplicar el protocolo cuántico diseñado por los físicos, encontraron un resultado que superaba este límite clásico. En su experimento, la probabilidad real alcanzó 0,636, un valor imposible de explicar con un modelo clásico. Esto significa que el espín no se comportaba como un simple giroscopio, sino que estaba en un estado puramente cuántico.
Este resultado confirma que el espín nuclear no es solo una propiedad matemática de la mecánica cuántica, sino una realidad experimental verificable. El hallazgo no solo desafía los libros de texto, sino que también sugiere que estos estados pueden ser utilizados como recursos cuánticos en aplicaciones tecnológicas.
Preparación de estados cuánticos no clásicos en un núcleo de Sb-123 dentro de un dispositivo de silicio, mostrando su ubicación, niveles de espín y superposición cuántica. Fuente: NewtonEstados de superposición y el papel del gato de Schrödinger
El motivo por el cual el espín pudo superar el límite clásico se debe a que los físicos lograron colocarlo en un estado de superposición cuántica. En términos simples, esto significa que el espín estaba en dos orientaciones opuestas al mismo tiempo, una propiedad fundamental de los sistemas cuánticos.
Este tipo de estados se conoce como estados "gato de Schrödinger", en referencia al famoso experimento mental. En lugar de estar en un solo estado definido, el núcleo de antimonio se comportaba como si existiera simultáneamente en dos configuraciones diferentes.
Los estados cuánticos de superposición son esenciales en la computación cuántica, ya que permiten procesar información de manera más eficiente que los sistemas clásicos. Por ello, este experimento no solo es una prueba teórica de la mecánica cuántica, sino que también podría facilitar la creación de nuevas tecnologías basadas en espines nucleares.
Implementación experimental del protocolo para detectar cuanticidad en la precesión uniforme del espín, mostrando el proceso de medición, la evolución de los estados cuánticos y los resultados obtenidos. Fuente: NewtonUn nuevo método para certificar la "cuanticidad"
Uno de los aspectos más importantes de este trabajo es que ofrece un método experimental para certificar la naturaleza cuántica de un sistema sin recurrir a pruebas indirectas. Hasta ahora, los experimentos que confirmaban la cuanticidad de partículas individuales requerían correlaciones entre múltiples sistemas o pruebas más complejas como las desigualdades de Bell.
Este estudio, en cambio, demuestra que es posible certificar que un sistema es cuántico solo observando su precesión. Esto podría tener aplicaciones en sensores cuánticos y otros dispositivos donde la detección precisa de estados cuánticos es crucial.
Impacto en la física y las futuras aplicaciones
Para los investigadores, este hallazgo representa un avance fundamental en nuestra comprensión de la mecánica cuántica. A medida que avanzamos hacia un futuro donde la computación y las tecnologías cuánticas jugarán un papel crucial, entender cómo certificar y manipular estos estados será clave para la siguiente generación de dispositivos cuánticos. Este descubrimiento, más allá de ser una curiosidad teórica, puede marcar la diferencia en el desarrollo de nuevos métodos de detección y control de estados cuánticos.
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Referencias
Vaartjes, A., Nurizzo, M., Zaw, L. H., Wilhelm, B., Yu, X., Holmes, D., Schwienbacher, D., Kringhøj, A., van Blankenstein, M. R., Jakob, A. M., Hudson, F. E., Itoh, K. M., Murray, R. J., Blume-Kohout, R., Anand, N., Dzurak, A. S., Jamieson, D. N., Scarani, V., & Morello, A. (2025). Certifying the quantumness of a nuclear spin qudit through its uniform precession. Newton, 1, 100017. DOI:10.1016/j.newton.2025.100017
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