Científicos observan por primera vez la paradoja del «gato de Cheshire»

Investigadores de la Universidad de Tecnología de Viena ('Atominstitut'), en Austria, han realizado la primera separación de una partícula de una de sus propiedades. El estudio, llevado a cabo en el Instituto Laue-Langevin (ILL), muestra que en un interferómetro se puede medir un momento magnético de un neutrón independientemente del propio neutrón, marcando así la primera observación experimental de una nueva paradoja cuántica conocida como el "gato de Cheshire".

La nueva técnica, detallada en un artículo que se publica en la revista 'Nature Communications' y que es posible aplicar a cualquier propiedad de cualquier objeto cuántico, podría ser empleada para eliminar la perturbación y mejorar la resolución de las mediciones de alta precisión. La idea de un gato de Cheshire cuántico fue propuesta teóricamente el año pasado y se basa en el conocido personaje de 'Alicia en el país de las maravillas' que puede desaparecer dejando su sonrisa detrás. En la física cuántica, el término se refiere a un objeto cuyas propiedades se pueden separar de su ubicación física para que ambos se puedan medir en diferentes lugares.

Aunque esto no es claramente posible en nuestra experiencia cotidiana, donde los objetos están espacialmente relacionados con sus propiedades, las leyes de la mecánica cuántica permiten hacerlo. La mecánica cuántica nos dice que las partículas pueden estar en diferentes estados físicos al mismo tiempo, un fenómeno conocido como superposición. Por ejemplo, si un haz de neutrones se divide en dos usando un cristal, los neutrones individuales no tienen que decidir cuál de los dos caminos toman y, en su lugar, pueden recorrer las dos rutas a la vez en una superposición cuántica.

"Esta técnica experimental se llama interferometría de neutrones", explica el profesor Yuji Hasegawa, de la Universidad Tecnológica de Viena. "Fue inventado aquí en el 'Atominstitut' en la década de 1970 y ha resultado ser la herramienta perfecta para investigar los fundamentos de la mecánica cuántica", agrega este científico. Para ver si la misma técnica podría separar las propiedades de una partícula de la partícula en sí, Yuji Hasegawa reunió a un equipo que incluye a sus colegas Tobis Denkmayr, Hermann Geppert y Stephan Sponar, de Viena; junto con Alexandre Matzkin ,del CNRS en Francia, el profesor Jeff Tollaksen, de la Universidad de Chapman, en California, Estados Unidos, y Hartmut Lemmel, del Institut Laue-Langevin para desarrollar un nuevo experimento cuántico.

Su objetivo era conseguir que los neutrones en el ILL viajaran por un camino diferente al de su momento magnético, una propiedad que describe la fuerza de acoplamiento de la partícula a un campo magnético externo. El momento magnético del neutrón tiene una preferencia direccional, una propiedad llamada espín. En el experimento, el haz de neutrones se dividió en dos caminos con diferentes direcciones de giro: la trayectoria del haz superior tenía un giro paralelo a la dirección de movimiento mientras que el giro del rayo inferior apuntaba en la dirección opuesta a los neutrones.

Después de que se volvieran a combinar los dos haces, el detector experimental se estableció de manera que sólo se detectaran los neutrones con giro paralelo a la dirección de movimiento, lo que implica aquellos que viajan a lo largo de la trayectoria superior. "Esto se llama postselección --dice Hermann Geppert--. El rayo de neutrones contiene ambos sentidos de giro, pero sólo detecta una selección de neutrones". El equipo introdujo entonces un filtro que absorbe parte de los neutrones, en la trayectoria del haz inferior, pero no cambió el número de partículas detectadas. Sin embargo, cuando se introdujo el mismo filtro en la trayectoria del haz superior, se redujo el número de neutrones detectados.

Las cosas se complican cuando se mide la ubicación de la escisión de neutrones: el giro puede cambiar ligeramente el uso de un campo magnético. Cuando los dos haces se recombinan apropiadamente, pueden amplificarse o cancelarse entre sí. Esto es exactamente lo que se ve en la medición si el campo magnético se aplica al rayo inferior, pero ése es el camino que nunca se supone que toman los neutrones. Por otro lado, un campo magnético aplicado al haz superior no tiene ningún efecto. "Mediante la preparación de los neutrones en un estado inicial especial y luego postseleccionándolos, podemos llegar a una situación en la que ambos caminos posibles son importantes para el experimento en el interferómetro pero de maneras muy diferentes", señala Tobias Denkmayr.

"A lo largo de uno de los caminos, sólo tiene efecto una interacción con las propias partículas, pero el otro camino es sólo sensible a un acoplamiento de espín magnético. El sistema se comporta como si las partículas se separaran espacialmente de sus propiedades", agrega. El éxito de este tipo único de experimento cuántico dependía de lo que se llaman "mediciones débiles"para evitar el colapso de la superposición según las leyes de la mecánica cuántica. "Estas mediciones débiles dan menos información", explica Hartmut Lemmel, líder de S18, el interferómetro de cristal de neutrones térmicos en el ILL en el que se observó el "gato de Cheshire".