En el experimento mental del gato de Schröndiger (1935) la desintegración radiactiva de un solo átomo determina el estado de un sistema clásico de muchas partículas (el gato). Se publica en Nature Photonics un experimento similar, en el que un solo átomo de rubidio-87 en una cavidad óptica controla el estado de superposición en la fase de pulsos ópticos formados por muchos fotones (el nuevo «gato»). Se trata de la primera vez que se logra un estado tipo gato de Schrödinger con pulsos ópticos propagantes. Gracias a  ello se prometen futuras aplicaciones en óptica cuántica, procesado de información cuántica e, incluso, computación cuántica.

El átomo atrapado en la cavidad óptica formada por dos espejos se comporta como un cúbit (bit cuántico) que puede estar en dos estados cuánticos. En el estado |↓⟩ (off) el átomo no altera la frecuencia de resonancia de la cavidad; gracias a ello, el pulso de luz puede resonar en ella (entra por un espejo, se refleja miles de veces entre ambos espejos, cuya reflectividad es del 99.99%, y abandona la cavidad por el mismo espejo por el que entró), cambiando su fase en π radianes (180 grados). En el estado |↑⟩ (on) el átomo altera la frecuencia de resonancia de la cavidad; como resultado, el pulso de luz no puede resonar en ella y se refleja en el primer espejo, sin cambiar su fase (0 grados). Cuando se prepara el átomo en un estado de superposición cuántica de ambos estados, la fase del pulso de luz se observa en superposición de su dos estados, cual gato de Schrödinger.

Lo interesante de este trabajo es que acopla estados cuánticos del átomo con los estados de un pulso óptico formado por un enorme número de fotones que se puede propagar por una fibra óptica. El artículo es Bastian Hacker, Stephan Welte, …, Gerhard Rempe, «Deterministic creation of entangled atom–light Schrödinger-cat states,» Nature Photonics 13: 110–115 (14 Jan 2019), doi: 10.1038/s41566-018-0339-5. Más información en Luming Duan, «Creating Schrödinger-cat states,» Nature Photonics 13: 73–74 (14 Jan 2019), doi: 10.1038/s41566-018-0340-z, y Belle Dumé, «Light–matter entanglement creates Schrödinger-cat states,» Physics World, 17 Jan 2019.

La idea de este experimento fue propuesta hace una década. Esta figura muestra el esquema experimental. El átomo de ⁸⁷Rb atrapado en la cavidad óptica de alta calidad puede estar en tres estados |↓⟩ (off), |↑> (on) y |e> (excitado). Tras la reflexión múltiple en la cavidad de los pulsos de luz (cuya anchura a la mitad de su amplitud máxima es de 2.3 μs) se dirigen estos hacia una deflector optoacústico (AOD) que los divide en dos, uno dirigido hacia un contador de fotones individuales (SPD) y otro a un divisor de haz que los dirige en sendos fotodiodos de alta eficiencia (PD1 y PD2); la combinación de ambas medidas permite realizar una tomografía del estado mediante la reconstrucción de su función de Wigner para la fase, lo que permite comprobar si se encuentran en un estado de superposición.

El átomo se prepara en el estado |↑⟩ y pasa a un estado de superposición |↓⟩+|↑⟩ tras una rotación de π/2 (omito aquí las constantes de normalización del estado). La interacción del pulso en estado |α⟩ con la cavidad óptica conduce a un estado entrelazado |↑⟩|α⟩+|↓⟩|−α⟩ (recuerda que un desfase de 0 grados equivale a multiplicar la fase por +1 y un desfase de 180 grados a multiplicarla por −1). Una segunda rotación de π/2 prepara el estado |↑⟩(|α⟩−|−α⟩) + |↓⟩(|α⟩+|−α⟩). Tras la medida cuántica del estado del átomo, el estado del pulso o bien es |α⟩−|−α⟩, o bien es |α⟩+|−α⟩. Las funciones de Wigner para estos estados se diferencian en su paridad (par en el primer caso e impar en el segundo). En la figura inferior derecha se muestra una función de Wigner para un estado impar. Las observaciones en el experimento indican que se ha logrado la superposición cuántica de la fase del pulso óptico.

En resumen, aprovechar el acoplamiento materia-luz (átomo-pulso óptico) permite transferir estados cuánticos de átomos como cúbits a pulsos de luz propagantes, lo que facilita su transmisión por guías ópticas (como fibras ópticas). En futuros trabajos se intentará atrapar a varios átomos en la cavidad, sobre los que se podrán aplicar operaciones cuánticas mediante puertas lógicas cuánticas, lo que permitirá generar pulsos ópticos con estados de superposición más complicados. Sin lugar a dudas esta técnica es muy prometedora en el procesamiento cuántico de informaión.