La gravedad como ruido: por qué los objetos macroscópicos pierden la coherencia cuántica ✎

Sobre una mesa de laboratorio levita una partícula diminuta, sostenida por un rayo láser. Se encuentra en una superposición cuántica: su función de onda describe dos posiciones a la vez, como si la partícula se hubiera desdoblado. Pero ese estado no es eterno. El mundo que la rodea interviene sin descanso y la coherencia cuántica se desvanece como la niebla al amanecer. Lo habitual es culpar a las colisiones con las moléculas de gas y al ruido electromagnético. Sin embargo, hay un canal más sutil: la gravedad.

La gravedad es un susurro tenue que se pierde en el estruendo de las colisiones. Cada molécula de gas atrae a la partícula y, si la partícula está en una superposición de dos posiciones, el campo gravitatorio actúa de forma distinta sobre cada una. Esa diferencia es la que destruye la interferencia cuántica. El problema es que la gravedad actúa a distancia y no se puede apantallar: incluso un gas muy enrarecido puede aportar su grano de arena. Los científicos de la Universidad de Kioto han construido una teoría de primeros principios de este proceso. Se sirvieron del formalismo del contorno temporal cerrado para tener en cuenta con rigor las fluctuaciones cuánticas del campo gravitatorio generado por el gas. Para un gas enrarecido no relativista lograron obtener una fórmula analítica:

\[ \Gamma \propto M^2 \Delta x^2 \ln(k_{UV}/k_\sigma) \]

Aquí \(M\) es la masa de la partícula, \(\Delta x\) la distancia entre las dos ramas de la superposición, y \(k_{UV}\) y \(k_\sigma\) las escalas ultravioleta e infrarroja. La dependencia logarítmica significa que la decoherencia se acumula despacio, pero abarca un intervalo enorme de distancias: desde el tamaño de la propia partícula hasta la longitud de onda de las fluctuaciones térmicas del gas. Recuerda al comportamiento de las divergencias infrarrojas en la electrodinámica cuántica, donde también aparecen logaritmos del cociente de masas.

El resultado puede parecer decepcionante: el ruido gravitatorio del gas no supone un obstáculo para las tecnologías cuánticas. Pero ahí está precisamente el valor del trabajo. Antes no estaba claro si la gravedad, al actuar a distancia, podía provocar una decoherencia apreciable por su interacción con un gas enrarecido, ni cómo tener en cuenta correctamente los efectos infrarrojos. Ahora sabemos que la contribución existe, pero que es despreciable. Esto nos da una referencia cuantitativa para los futuros experimentos que verifiquen la naturaleza cuántica de la gravedad. Si algún día se logra crear la superposición de un objeto lo bastante masivo, el ruido gravitatorio del entorno no impedirá observar efectos más sutiles, ligados a las fluctuaciones cuánticas del propio campo gravitatorio.

El formalismo desarrollado por los autores puede extenderse a otros medios: fotones, neutrinos, materia oscura. Tener en cuenta el momento cuadrupolar en lugar de la aproximación dipolar permitirá afinar el comportamiento infrarrojo. Quizá en el futuro aprendamos a medir el ruido gravitatorio de las fluctuaciones de vacío de la métrica. Entonces el susurro tenue de la gravedad dejará de ser una mera abstracción teórica y se convertirá en un fenómeno observable.