Sorprendente relación entre dos fenómenos cuánticos

Los investigadores han descubierto un vínculo fundamental entre las dos propiedades que definen la física cuántica. Stephanie Wehner del Centro de Singapur por Quantum Technologies y la Universidad Nacional de Singapur y Jonathan Oppenheim de la Universidad de Cambridge en Reino Unido, publicaron su trabajo en la última edición de la revista Science.

El resultado está siendo anunciada como un avance espectacular en el conocimiento básico de la mecánica cuántica y proporciona nuevas pistas a los investigadores que buscan comprender los fundamentos de la teoría cuántica. El resultado se refiere a la pregunta de por qué el comportamiento cuántico es tan raro como es, “pero no más”.

El extraño comportamiento de las partículas cuánticas, como los átomos, los electrones y los fotones que componen la luz, ha dejado perplejos a los científicos durante casi un siglo. Albert Einstein fue uno de los que pensaban que el mundo cuántico era tan extraño que la teoría cuántica debía estar equivocada, pero los experimentos han confirmado las predicciones de la teoría.

Uno de los aspectos más extraños de la teoría cuántica es que es imposible saber ciertas cosas, como la velocidad de una partícula y su posición, al mismo tiempo. El conocimiento de una de estas propiedades afecta a la precisión con la que se puede saber el otro. Esto se conoce como el “Principio de Incertidumbre de Heisenberg”.

Otro aspecto extraño es el fenómeno cuántico de la no-localización, que se deriva del fenómeno más conocido de entrelazamiento. Cuando dos partículas cuánticas se entrelazan, pueden realizar acciones que parecen demostrar que se coordinan entre sí en formas que desafían la intuición clásica acerca de partículas separadas físicamente.

Anteriormente, los investigadores han tratado la no-localización y la incertidumbre como dos fenómenos separados. Ahora Wehner y Oppenheim han demostrado que están estrechamente vinculados. Y lo que es más, muestran que este vínculo es cuantitativo y no hemos encontrado una ecuación que muestra que la “cantidad” de la no-localización está determinada por el principio de incertidumbre.

“Es un giro sorprendente e irónico tal vez,” dijo Oppenheim, investigador de la Real Sociedad de la Universidad de Cambridge, perteneciente al Departamento de Matemáticas Aplicadas y Física Teórica. Einstein y sus colegas descubrieron la no-localización, mientras buscaban una manera de socavar el principio de incertidumbre. “Ahora el principio de incertidumbre parece contratacar.”

La no-localización determina hasta que punto dos partes distantes pueden coordinar sus acciones sin tener que enviarse información entre sí. Los físicos creen que, incluso en mecánica cuántica, la información no puede viajar más rápido que la luz. Sin embargo, resulta que la mecánica cuántica permite a dos partes coordinarse mucho mejor de lo que sería posible en virtud de las leyes de la física clásica. De hecho, sus acciones pueden ser coordinados de manera que casi parece que hubieran sido capaces de comunicarse. Einstein se refirió  a este fenómeno llamándolo ”acción fantasmal a distancia”

Sin embargo, la no-localización cuántica podría ser incluso más extraña de lo que realmente es. Es posible elaborar teorías que permiten a partes distantes coordinar sus acciones mucho mejor de lo que la naturaleza permite, pero impidiendo que la información viaje más rápido que la luz. La naturaleza puede parecer rara, y sin embargo no lo es;  la teoría cuántica parece imponer un límite adicional a la extrañeza.

“La teoría cuántica es bastante rara, pero no es tan rara como podría ser. Tenemos que preguntarnos, ¿por qué la mecánica cuántica esta limitada? ¿Por qué no permite la naturaleza una no-localización más fuerte aún?“, afirma Oppenheim.

El resultado sorprendente al que han llegado Wehner y Oppenheim, es que el principio de incertidumbre proporciona una respuesta. Dos partes sólo pueden coordinar mejor sus acciones si se rompe el principio de incertidumbre, que impone una estricta obligatoriedad respecto a lo fuerte que la no-localización puede ser.

“Sería muy bueno si se pudieran coordinar mejor nuestras acciones a largas distancias, ya que nos permitiría resolver muchas tareas de procesamiento de información de manera muy eficiente”, dice Wehner. “Sin embargo, la física sería radicalmente diferente. Si se rompiera el principio de incertidumbre,  realmente no sabemos cómo sería nuestro mundo“

¿Cómo han descubierto los investigadores una conexión que había pasado desapercibida durante tanto tiempo? Antes de entrar en la academia, Wehner trabajó como “pirata informática libre”, y ahora trabaja en la teoría cuántica de la información, mientras que Oppenheim es físico. Wehner piensa que la aplicación de técnicas de informática a las leyes de la física teórica fue la clave para detectar la conexión. “Creo que una de las ideas fundamentales es vincular la cuestión a un problema de codificación. Las formas tradicionales de ver la no-localización y la incertidumbre ocultaron la estrecha relación entre ambos conceptos”.

Wehner y Oppenheim han refundado los fenómenos de la física cuántica en términos que le resultarían familiares a un pirata informático. Tratan la no-localización como el resultado de una parte, Alice, que crea y codifica la información, y una segunda, Bob, que recupera la información de la codificación. Hasta qué punto pueden Alice y Bob codificar y recuperar la información está determinado por las relaciones de incertidumbre. En algunas situaciones, se encontraron con que una tercera propiedad, que se conoce como «dirección», entra en escena.

Los dos investigadores comparan su hallazgo con descubrir lo que determina la facilidad con que dos jugadores pueden ganar un juego de mesa cuántico, en el que un tablero tiene solo dos casillas, en el que Alice, puede colocar una ficha de dos posibles colores: verde o rosa. Se le dice que coloque el mismo color en ambas casillas, o que coloque un color diferente en cada una. Bob tiene que adivinar el color que Alice colocó en la casilla uno o dos. Si acierta, Alice y Bob ganan el juego.

Es evidente que Alice y Bob podrían ganar la partida si pudieran hablar entre sí: bastaría con que Alice le dijera a Bob qué colores están en las casillas uno y dos. Pero Bob y Alice se encuentran tan lejos el uno del otro que la luz, y por lo tanto, una señal que lleve información,  no tiene tiempo para pasar entre ellos durante la partida.

Si no pueden hablar, no siempre podrán ganar; pero, al medir las partículas cuánticas, pueden ganar la partida con más frecuencia que con cualquier estrategia que no se base en la teoría cuántica. No obstante, el principio de incertidumbre les impide hacer nada mejor, e incluso determina con qué frecuencia perderán el juego.

El hallazgo conduce a la cuestión profunda de cuáles son los principios que subyacen tras la física cuántica. Muchos de los intentos por comprender los fundamentos de la mecánica cuántica se han centrado en la no-localización. Wehner cree que se podría obtener aún más del examen de los detalles del principio de incertidumbre. “Sin embargo, apenas hemos arañado la superficie de la comprensión de las relaciones de incertidumbre”, comenta.

El avance se probará en el futuro, dicen los investigadores. Los científicos todavía están buscando una teoría cuántica de la gravedad, y el resultado de Wehner y Oppenheim relativo a la no-localización, la incertidumbre y la dirección se aplica a todas las teorías posibles (incluida una futura que sustituya a la mecánica cuántica).

Enlace original: Resarchers uncover surprise like between weird quantum phenomena