La travesura cuántica reescribe las leyes de causa y efecto

By: Natalie Wolchover

El físico y lingüista sueco, conocido por ser el más prolífico escritor de la Wikipedia, explica los orígenes del lenguaje humano en su Estimulados por experimentos cuánticos que mezclan el orden de las causas y sus efectos, algunos físicos están descubriendo cómo abandonar la causalidad por completo.

lice y Bob, las estrellas de tantos experimentos mentales, están preparando la cena cuando sobrevienen contratiempos. Alice accidentalmente deja caer un plato; el sonido sobresalta a Bob, que se quema en la estufa y grita. En otra versión de los hechos, Bob se quema y grita, lo que hace que Alice deje caer un plato.

Durante la última década, los físicos cuánticos han estado explorando las implicaciones de una conclusión extraña: en principio, ambas versiones de la historia pueden suceder a la vez. Es decir, los eventos pueden ocurrir en un orden causal indefinido, donde tanto “A causa B” y “B causa A” son simultáneamente verdaderas.

“Suena indignante”, admitió Časlav Brukner , físico de la Universidad de Viena.

La posibilidad se deriva del fenómeno cuántico conocido como superposición, donde las partículas mantienen todas las realidades posibles simultáneamente hasta el momento en que se miden. En laboratorios de Austria, China, Australia y otros lugares, los físicos observan un orden causal indefinido colocando una partícula de luz (llamada fotón) en una superposición de dos estados. Luego someten una rama de la superposición al proceso A seguido del proceso B, y someten la otra rama a B seguida de A. En este procedimiento, conocido como cambio cuántico, el resultado de A influye en lo que sucede en B, y viceversa; el fotón experimenta ambos órdenes causales simultáneamente.

Durante los últimos cinco años, una creciente comunidad de físicos cuánticos ha estado implementando el interruptor cuántico en experimentos de sobremesa y explorando las ventajas que ofrece el orden causal indefinido para la computación y la comunicación cuánticas. Es “realmente algo que podría ser útil en la vida cotidiana”, dijo Giulia Rubino, investigadora de la Universidad de Bristol que dirigió la primera demostración experimental del interruptor cuántico en 2017.

Pero los usos prácticos del fenómeno solo agudizan las implicaciones profundas.

Los físicos han sentido durante mucho tiempo que la imagen habitual de los eventos que se desarrollan como una secuencia de causas y efectos no captura la naturaleza fundamental de las cosas. Dicen que esta perspectiva causal probablemente tiene que desaparecer si alguna vez queremos descubrir el origen cuántico de la gravedad, el espacio y el tiempo. Pero hasta hace poco, no había muchas ideas sobre cómo podría funcionar la física poscausal. “Mucha gente piensa que la causalidad es tan básica en nuestra comprensión del mundo que si debilitamos esta noción no podríamos hacer teorías coherentes y significativas”, dijo Brukner, quien es uno de los líderes en el estudio de la causalidad indefinida.

Eso está cambiando a medida que los físicos contemplan los nuevos experimentos de conmutadores cuánticos, así como los experimentos mentales relacionados en los que Alice y Bob se enfrentan a la indefinición causal creada por la naturaleza cuántica de la gravedad. Tener en cuenta estos escenarios ha obligado a los investigadores a desarrollar nuevos formalismos matemáticos y formas de pensar. Con los marcos emergentes, “podemos hacer predicciones sin tener una causalidad bien definida”, dijo Brukner.

Correlación, no causalidad

El progreso se ha acelerado recientemente, pero muchos profesionales rastrean el origen de esta línea de ataque sobre el problema de la gravedad cuántica para trabajar hace 16 años con Lucien Hardy , físico teórico británico-canadiense del Instituto Perimetral de Física Teórica en Waterloo, Canadá. “En mi caso”, dijo Brukner, “todo comenzó con el artículo de Lucien Hardy”.

Hardy era más conocido en ese momento por adoptar un enfoque conceptual que Albert Einstein hizo famoso y aplicarlo a la mecánica cuántica.

Einstein revolucionó la física no pensando en lo que existe en el mundo, sino considerando lo que los individuos pueden medir. En particular, imaginó a personas en trenes en movimiento haciendo mediciones con reglas y relojes. Al utilizar este enfoque “operacional”, pudo concluir que el espacio y el tiempo deben ser relativos.

En 2001, Hardy aplicó este mismo enfoque a la mecánica cuántica. Se reconstruyó toda la teoría cuántica a partir de cinco axiomas operativos.

Luego se propuso aplicarlo a un problema aún mayor: el problema de 80 años de cómo reconciliar la mecánica cuántica y la relatividad general, la teoría épica de la gravedad de Einstein. “Me impulsa la idea de que quizás la forma operativa de pensar sobre la teoría cuántica se pueda aplicar a la gravedad cuántica”, me dijo Hardy en Zoom este invierno.

La pregunta operativa es: en la gravedad cuántica, ¿qué podemos, en principio, observar? Hardy pensó en el hecho de que la mecánica cuántica y la relatividad general tienen cada una una característica radical. La mecánica cuántica es famosa por su indeterminismo; sus superposiciones permiten posibilidades simultáneas. Mientras tanto, la relatividad general sugiere que el espacio y el tiempo son maleables. En la teoría de Einstein, los objetos masivos como la Tierra extienden la “métrica” del espacio-tiempo, esencialmente la distancia entre las marcas de control de una regla y la duración entre los tictac de los relojes. Cuanto más cerca esté de un objeto masivo, por ejemplo, más lento el tic-tac de su reloj. Luego, la métrica determina el “cono de luz” de un evento cercano, la región del espacio-tiempo en la que el evento puede influir causalmente.

Cuando se combinan estas dos características radicales, dijo Hardy, dos posibilidades cuánticas simultáneas estirarán la métrica de diferentes maneras. Los conos de luz de los eventos se vuelven indefinidos y, por lo tanto, también lo hace la causalidad misma.

La mayoría de los trabajos sobre gravedad cuántica eluden una de estas características. Algunos investigadores, por ejemplo, intentan caracterizar el comportamiento de los “gravitones”, unidades cuánticas de gravedad. Pero los investigadores hacen que los gravitones interactúen con un tiempo de fondo fijo. “Estamos tan acostumbrados a pensar en la evolución del mundo en el tiempo”, señaló Hardy. Sin embargo, él razona que la gravedad cuántica seguramente heredará el rasgo radical de la relatividad general y carecerá de tiempo y causalidad fijos. “Así que la idea es realmente lanzar la precaución al viento”, dijo el físico tranquilo y serio, “y realmente abrazar esta situación salvaje en la que no tienes una estructura causal definida”.

Sobre Zoom, Hardy usó un proyector especial para filmar una pizarra, donde dibujó varios experimentos mentales, comenzando con uno que lo ayudó a ver cómo describir los datos por completo sin hacer referencia al orden causal de los eventos.

Imaginó una serie de sondas a la deriva en el espacio. Están tomando datos, registrando, digamos, la luz polarizada que sale de una estrella cercana en explosión o supernova. Cada segundo, cada sonda registra su ubicación, la orientación de su polarizador (un dispositivo como gafas de sol polarizadas que deja pasar un fotón o lo bloquea dependiendo de su polarización) y si un detector, ubicado detrás del polarizador, detecta un fotón o no. . La sonda transmite estos datos a un hombre en una habitación, que los imprime en una tarjeta. Después de un tiempo, termina la ejecución experimental; el hombre en la habitación baraja todas las cartas de todas las sondas y forma una pila.

Me impulsa la idea de que quizás la forma operativa de pensar sobre la teoría cuántica se pueda aplicar a la gravedad cuántica.

Luego, las sondas rotan sus polarizadores y hacen una nueva serie de medidas, produciendo una nueva pila de tarjetas, y repiten el proceso, de modo que el hombre en la habitación finalmente tenga muchas pilas mezcladas de medidas desordenadas. “Su trabajo es tratar de darle sentido a las cartas”, dijo Hardy. El hombre quiere idear una teoría que dé cuenta de todas las correlaciones estadísticas en los datos (y, de esta manera, describa la supernova) sin ninguna información sobre las relaciones causales o el orden temporal de los datos, ya que esos podrían no ser aspectos fundamentales de la realidad.

¿Cómo podría el hombre hacer esto? Primero podría ordenar las cartas por ubicación, repartiendo cartas de cada pila de modo que las pertenecientes a naves espaciales en una determinada región del espacio vayan en la misma pila. Al hacer esto para cada pila, podría comenzar a notar correlaciones entre pilas. Podría notar que siempre que se detecta un fotón en una región, existe una alta probabilidad de detección en otra región, siempre que los polarizadores tengan el mismo ángulo en ambos lugares. (Tal correlación significaría que la luz que pasa a través de estas regiones tiende a compartir una polarización común). Entonces podría combinar probabilidades en expresiones pertenecientes a regiones compuestas más grandes, y de esta manera, podría “construir objetos matemáticos para mayores y mayores regiones de regiones más pequeñas ”, dijo Hardy.

Lo que normalmente consideramos relaciones causales, como los fotones que viajan de una región del cielo a otra, correlacionando las mediciones realizadas en la primera región con las mediciones realizadas más tarde en la segunda región, actúan, en el formalismo de Hardy, como una compresión de datos. Hay una reducción en la cantidad de información necesaria para describir todo el sistema, ya que un conjunto de probabilidades determina a otro.

Hardy llamó a su nuevo formalismo el marco “causaloide”, donde el causaloide es el objeto matemático utilizado para calcular las probabilidades de resultados de cualquier medición en cualquier región. Introdujo el marco general en un denso artículo de 68 páginas en 2005, que mostraba cómo formular la teoría cuántica en el marco (esencialmente reduciendo sus expresiones de probabilidad general al caso específico de la interacción de bits cuánticos).

Hardy pensó que también debería ser posible formular la relatividad general en el marco causaloide, pero no veía cómo proceder. Si pudiera manejar eso, entonces, escribió en otro artículo, “el marco podría usarse para construir una teoría de la gravedad cuántica”.

El interruptor cuántico

Unos años más tarde, en Pavía, Italia, el teórico de la información cuántica Giulio Chiribella y tres colegas estaban reflexionando sobre una pregunta diferente: ¿Qué tipo de cálculos son posibles? Tenían en mente el trabajo canónico del informático teórico Alonzo Church. Church desarrolló un conjunto de reglas formales para la construcción de funciones: máquinas matemáticas que toman una entrada y producen una salida. Una característica sorprendente del libro de reglas de Church es que la entrada de una función puede ser otra función.

Los cuatro físicos italianos se preguntaron: ¿Qué tipo de funciones de funciones podrían ser posibles en general, más allá de lo que son capaces las computadoras en la actualidad? Se les ocurrió un procedimiento que involucra dos funciones, A y B, que se ensamblan en una nueva función. Esta nueva función, lo que llamaron interruptor cuántico, es una superposición de dos opciones. En una rama de la superposición, la entrada de la función pasa por A, luego B. En la otra, pasa por B, luego A. Esperaban que el interruptor cuántico “pudiera ser la base de un nuevo modelo de cálculo, inspirado en el uno de Church ”, me dijo Chiribella.

Al principio, la revolución chisporroteó. Los físicos no pudieron decidir si el cambio cuántico fue profundo o trivial, o si era realizable o simplemente hipotético. Su artículo tardó cuatro años en publicarse.

Para cuando finalmente salió a la luz en 2013, los investigadores estaban empezando a ver cómo podrían construir interruptores cuánticos.

Podrían, por ejemplo, disparar un fotón hacia un dispositivo óptico llamado divisor de haz. Según la mecánica cuántica, el fotón tiene una probabilidad de 50 a 50 de ser transmitido o reflejado, por lo que hace ambas cosas.

La versión transmitida del fotón se precipita hacia un dispositivo óptico que gira la dirección de polarización de la luz de alguna manera bien definida. A continuación, el fotón se encuentra con un dispositivo similar que lo gira de una manera diferente. Llamemos a estos dispositivos A y B, respectivamente.

Mientras tanto, la versión reflejada del fotón se encuentra primero con B, luego con A. El resultado final de la polarización en este caso es diferente.

Podemos pensar en estas dos posibilidades, A antes de B o B antes de A, como un orden causal indefinido. En la primera rama, A influye causalmente en B en el sentido de que si A no hubiera ocurrido, la entrada y la salida de B serían totalmente diferentes. Asimismo, en la segunda rama, B influye causalmente en A en el sentido de que este último proceso no podría haber ocurrido de otra manera.

Después de que hayan ocurrido estos eventos causales alternativos, otro divisor de haz reúne las dos versiones del fotón. La medición de su polarización (y la de muchos otros fotones) produce una distribución estadística de resultados.

Brukner y dos colaboradores idearon formas de probar cuantitativamente si estos fotones realmente están experimentando un orden causal indefinido. En 2012, los investigadores calcularon un techo sobre qué tan estadísticamente correlacionados pueden estar los resultados de la polarización con las rotaciones realizadas en A y B si las rotaciones ocurrieron en un orden causal fijo. Si el valor excede esta “desigualdad causal”, entonces las influencias causales deben ir en ambas direcciones; El orden causal debe haber sido indefinido.

“La idea de la desigualdad causal era realmente genial, y mucha gente decidió lanzarse al campo”, dijo Rubino, quien saltó sobre sí misma en 2015. Ella y sus colegas produjeron una demostración histórica del interruptor cuántico en 2017 que funcionó. más o menos como el de arriba. Usando una prueba más simple ideada por Brukner y compañía, confirmaron que el orden causal era indefinido.

La atención se centró en lo que se podía hacer con la indefinición. Chiribella y sus coautores argumentaron que se podría transmitir mucha más información a través de canales ruidosos cuando se envía a través de los canales en un orden indefinido. Experimentalistas de la Universidad de Queensland y otros lugares han demostrado desde entonces esta ventaja de comunicación.

En “el experimento más hermoso” realizado hasta ahora, según Rubino, Jian-Wei Pan de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China en Hefei demostró en 2019 que dos partes pueden comparar largas cadenas de bits de manera exponencial más eficiente al transmitir bits en ambos direcciones a la vez en lugar de en un orden causal fijo, una ventaja propuesta por Brukner y sus coautores en 2016. Un grupo diferente en Hefei informó en enero que, mientras que los motores normalmente necesitan un depósito de frío y calor para funcionar, con un interruptor cuántico podría extraer calor de depósitos de igual temperatura, un uso sorprendente sugerido hace un año por los teóricos de Oxford.

No está claro de inmediato cómo extender este trabajo experimental para investigar la gravedad cuántica. Todos los artículos sobre el interruptor cuántico apuntan al vínculo entre la gravedad cuántica y la causalidad indefinida. Pero las superposiciones de objetos masivos, que estiran la métrica del espacio-tiempo de múltiples maneras a la vez, colapsan tan rápidamente que nadie ha pensado en cómo detectar la falta de claridad resultante de las relaciones causales. Entonces, en cambio, los investigadores recurren a los experimentos mentales.

Principio de equivalencia cuántica

Recordarás a Alice y Bob. Imagínese que están estacionados en naves espaciales de laboratorio separadas cerca de la Tierra. Curiosamente (pero no imposible), la Tierra se encuentra en una superposición cuántica de dos lugares diferentes. No es necesario que todo un planeta esté en superposición para que la gravedad cree una indefinición causal: incluso un solo átomo, cuando está en una superposición de dos lugares, define la métrica de dos maneras simultáneamente. Pero cuando se habla de lo que se puede medir en principio, también podría ir a lo grande.

En una rama de la superposición, la Tierra está más cerca del laboratorio de Alice, por lo que su reloj avanza más lento. En la otra rama, la Tierra está más cerca de Bob, por lo que su reloj marca más lento. Cuando Alice y Bob se comunican, el orden causal cambia.