9 jun. 2018

La física cuántica puede ser aún más espeluznante de lo que se piensa

Un nuevo experimento sugiere sorprendentes mecanismos ocultos en el fenómeno denominado de superposición cuántica 

La superposición cuántica, evento en el que dos entidades cuánticas como el electrón pueden existir en múltiples lugares o estados simultáneamente, es una de las piedras angulares de la física cuántica. Ahora, un nuevo experimento que por el momento permanece en el plano teórico busca arrojar luz sobre este misterioso fenómeno. 

Hay una pregunta central en mecánica cuántica para la cual todavía no se tiene respuesta: ¿Qué sucede realmente en un evento de superposición cuántica? En este proceso, la circunstancia peculiar es que las entidades cuánticas parecen estar en dos o más lugares o estados a la vez. Ahora, en un documento de próxima publicación, un equipo de investigadores en Israel y Japón ha propuesto un experimento que finalmente podría permitirnos decir algo con seguridad sobre la naturaleza de este desconcertante fenómeno. 



Su experimento, que según los investigadores podría realizarse en unos pocos meses, debería permitir a los científicos echar un vistazo a dónde reside un objeto, en este caso una partícula de luz, llamada fotón, cuando se coloca en una superposición. Y los investigadores predicen que la respuesta será aún más extraña y más impactante que la que se suponía de "en dos lugares a la vez"
El ejemplo clásico de superposición consiste en disparar fotones hacia una barrera que presenta dos ranuras. Un aspecto fundamental de la mecánica cuántica es la dualidad onda partícula. Es decir que las entidades cuánticas como electrones o fotones son duales. Son partículas y ondas al mismo tiempo. Son funciones de probabilidad que al realizar una medición sobre ellas, dicha medición hace que se colapse su función de onda y se manifieste o bien como partículas, o bien como ondas. De esta manera, cuando los fotones pasan a través de la ranura se interfieren y crean en una pantalla posterior el típico patrón de difracción ondulatorio. 



La primera extrañeza de este evento cuántico es que ese patrón ondulatorio aparece de igual manera si los fotones son disparados de a uno por vez. Incluso aparece con electrones demostrando lo que se dijo más arriba, su conducta dual. La entidad fotón parece pasar de alguna manera a través de ambas ranuras a la vez, interfiriendo consigo misma. Es, en definitiva, un evento de superposición cuántica. 

Y para peor, si se somete el experimento a una medición extra, la de poner un detector frente a la ranura para “ver” por dónde está pasando la entidad, ahora el experimento no dará un patrón de difracción sino un patrón corpuscular. Es decir, la entidad cuántica comenzará a manifestarse no como onda, sino como partícula. Entonces, este sólo hecho de medir por dónde pasa la entidad cuántica ha hecho colapsar su función de onda ahora como partícula. 



Dicho en palabras similares, el acto de medición ha hecho colapsar la superposición cuántica haciendo que la entidad cuántica se manifieste como un objeto macroscópico. El físico Avshalom Elitzur del Instituto Israelí de Investigación Avanzada dice que se sabe que algo sospechoso está sucediendo en una superposición, pero no se tiene permitido medirlo. Y concluye diciendo que eso es lo que hace que la mecánica cuántica sea tan diabólica. 

Durante décadas, los investigadores se han estancado en este aparente punto muerto. No pueden decir exactamente qué es una superposición cuántica sin mirarla; pero si intentan mirarla, desaparece. Siempre se colapsa una superposición cuántica manifestando a la entidad como partícula. 

Pero una posible solución, desarrollada por el antiguo mentor de Elitzur, el físico israelí Yakir Aharonov, ahora en la Universidad Chapman, y sus colaboradores, sugiere una forma de deducir algo sobre las entidades cuánticas antes de medirlas. El enfoque de Aharonov se llama two-state-vector formalism (TSVF) de la mecánica cuántica, y postula que los eventos cuánticos están determinados en cierto sentido por los estados cuánticos no sólo en el pasado sino también en el futuro. 

Es decir, el TSVF supone que la mecánica cuántica funciona de la misma manera tanto hacia adelante como hacia atrás en el tiempo. Desde esta perspectiva, las causas pueden parecer propagarse hacia atrás en el tiempo, ocurriendo después sus efectos 

Pero al parecer no necesitamos tomar esta extraña noción literalmente. Más bien, en el TSVF se puede obtener conocimiento retrospectivo de lo que sucedió en un sistema cuántico seleccionando sólo el resultado. Entonces, en lugar de simplemente medir dónde termina una partícula, un investigador elige una ubicación particular en la que buscarla. Esto se llama post-selección, y proporciona más información que cualquier vistazo incondicional jamás podría tener. Esto se debe a que el estado de la partícula en cualquier momento se evalúa retrospectivamente a la luz de todo su historial, incluida la medición. 

La rareza de todo esto viene porque es como si el investigador, simplemente eligiendo buscar un resultado en particular, hiciera que ese resultado sucediera. Esto sería algo así como llegar a la conclusión de que si enciende su televisor en cualquier momento cuando está programado su programa favorito, su acción hace que ese programa se transmita en ese mismo momento. "En general se acepta que el TSVF es matemáticamente equivalente a la mecánica cuántica estándar", dice David Wallace, un filósofo de la ciencia de la Universidad del Sur de California que se especializa en interpretaciones de la mecánica cuántica. "Pero lleva a ver ciertas cosas que de otra forma no hubiéramos visto"

Tomemos, por ejemplo, una versión del experimento de doble rendija ideado por Aharonov y su compañero de trabajo Lev Vaidman en 2003, que interpretaron con el TSVF. El par teorizó (no lo construyó físicamente) un sistema óptico en el cual un solo fotón actúa como un "obturador" que cierra una rendija haciendo que otro fotón "sonda" que se acerca a la rendija se refleje de la manera en que vino. Al aplicar la post-selección a las mediciones del fotón de la sonda, demostraron Aharonov y Vaidman que se podía distinguir un fotón obturador en una superposición que cerraba ambas (o incluso arbitrariamente muchas) rendijas simultáneamente. En otras palabras, este experimento mental en teoría, nos permitiría decir con confianza que el fotón del obturador está "aquí" y "allá" a la vez. Aunque esta situación parece paradójica desde nuestra experiencia cotidiana, es un aspecto bien estudiado de las propiedades denominadas "no locales" de partículas cuánticas, donde la noción completa de una ubicación bien definida en el espacio se disuelve. 

En el año 2016, los físicos Ryo Okamoto y Shigeki Takeuchi de la Universidad de Kyoto verificaron experimentalmente las predicciones de Aharonov y Vaidman utilizando un circuito portador de luz en el que el fotón del obturador se crea usando un enrutador cuántico, un dispositivo que permite que un fotón controle la ruta tomada por otro. Según dice un colega de Elitzur, Eliahu Cohen, de la Universidad de Ottawa en Ontario: "Este fue un experimento pionero que permitió inferir la posición simultánea de una partícula en dos lugares".



Ahora Elitzur y Cohen se han asociado con Okamoto y Takeuchi para inventar un experimento aún más alucinante. Creen que permitirá a los investigadores decir con certeza algo sobre la ubicación de una entidad cuántica en una superposición cuántica en una serie de diferentes puntos en el tiempo, antes de que se haya realizado una medición real. Es decir, antes de hacer colapsar su función de onda. 

Esta vez, la ruta del fotón sonda se dividiría en tres por espejos parciales. A lo largo de cada uno de esos caminos, puede interactuar con un fotón de obturador en una superposición. Se puede considerar que estas interacciones tienen lugar dentro de recuadros etiquetados como A, B y C, uno de los cuales se encuentra a lo largo de cada una de las tres rutas posibles del fotón. Al observar la autointerferencia del fotón de la sonda, se puede concluir retrospectivamente con certeza que la partícula del obturador estaba en una caja dada en un momento específico. 

El experimento está diseñado para que el fotón de la sonda sólo muestre interferencia si interactúa con el fotón del obturador en una secuencia particular de lugares y horas: a saber, si el fotón del obturador estaba en ambos cuadros A y C en algún momento del tiempo t=1, en un momento posterior de t=2 estará sólo en C, y en un tiempo aún más tardío (t=3) estará en B y C. Entonces, la interferencia en el fotón de la sonda sería un signo definitivo de que el fotón del obturador hizo esta extraña secuencia que desafía la lógica de apariencias inconexas entre las cajas en diferentes momentos, una idea que Elitzur, Cohen y Aharonov propusieron como una posibilidad el año pasado para una sola partícula distribuida en tres cajas. "Me gusta la forma en que este documento formula preguntas sobre lo que está sucediendo en términos de historias completas en lugar de estados instantáneos", dice el físico Ken Wharton de la Universidad Estatal de San José, que no está involucrado en el nuevo proyecto. "Hablar de 'estados' es un viejo prejuicio generalizado, mientras que las historias completas son en general mucho más ricas e interesantes"

Credit: Amanda Montañez



Esa riqueza, argumentan Elitzur y sus colegas, es a lo que la TSVF da acceso. La aparente desaparición de entidades en un lugar a la vez -y su reaparición en otros tiempos y lugares- sugiere una visión nueva y extraordinaria de los procesos subyacentes implicados en la existencia no local de las entidades cuánticas. A través de la lente del TSVF, dice Elitzur, esta existencia parpadeante y cambiante puede entenderse como una serie de eventos en los que la presencia de una entidad en un lugar se "cancela" de algún modo por su propia "contraentidad" en el mismo lugar. Compara esto con la noción introducida por el físico británico Paul Dirac en la década de 1920 que sostenía que las partículas poseen antipartículas, y si se unen, una partícula y una antipartícula pueden aniquilarse mutuamente. (Aclaremo que por más que se diga “partícula” siempre se refiere a entidades duales: onda / partícula). Esta imagen al principio parecía solo una manera de hablar, pero pronto condujo al descubrimiento de la antimateria. La desaparición de partículas cuánticas no es "aniquilación" en este mismo sentido, pero es algo análogo: estas contrapartículas que se considerarían como propias y legítimas sin serlo, postula Elitzur, deberían poseer energía negativa y masa negativa, lo que les permite cancelar sus contrapartidas. 

Entonces, aunque la visión tradicional de "dos lugares a la vez" de la superposición puede parecer bastante extraña, "es posible que una superposición sea una colección de estados que están aún más locos", dice Elitzur. "La mecánica cuántica simplemente te dice acerca de su promedio". Y sugiere que la post-selección permite aislar e inspeccionar sólo algunos de esos estados a mayor resolución. Tal interpretación del comportamiento cuántico sería, dice, "revolucionaria", porque implicaría una colección hasta ahora desconocida de estados reales (pero muy extraños) que subyacen a los fenómenos cuánticos contraintuitivos. 

Los investigadores dicen que producir el experimento real, pasar de lo teórico a lo práctico, requerirá un ajuste fino del rendimiento de sus enrutadores cuánticos, pero esperan tener su sistema listo para rodar en tres o cinco meses. Por ahora, algunos observadores externos no parecen estar esperando exactamente con la respiración contenida. Wharton dice que el experimento debería funcionar, pero agrega que no convencerá a nadie de nada, ya que los resultados son pronosticados por la mecánica cuántica estándar. En otras palabras, no habría una razón convincente para interpretar el resultado. En términos del TSVF, sería otra de las muchas otras formas en que los investigadores interpretan el comportamiento cuántico.


Traducción y adaptación por: Pf: Mariano Miguel Lanzi

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