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| La función de onda de un objeto cuántico puede no ser solo una construcción matemática. |
La incertidumbre inherente a la mecánica cuántica ha llevado durante mucho tiempo a los físicos a preguntarse si las observaciones que hacemos a nivel cuántico reflejan la realidad; una nueva prueba sugiere que sí.
¿Refleja realmente la mecánica cuántica la naturaleza en su forma más pura, o es solo nuestra manera imprecisa de describir las extrañas propiedades de lo infinitamente pequeño? Una famosa prueba que puede ayudar a responder esta pregunta se ha llevado a cabo en una computadora cuántica, y llega a una conclusión sorprendentemente concreta. La mecánica cuántica sí describe la realidad por completo, al menos para dispositivos cuánticos diminutos, y los resultados podrían ayudarnos a construir máquinas cuánticas mejores y más fiables.
Desde su descubrimiento hace más de un siglo, la naturaleza incierta y probabilística de la mecánica cuántica ha desconcertado a los físicos. Consideremos, por ejemplo, la superposición: ¿ocupa realmente una partícula muchos lugares a la vez, o el cálculo de su posición nos proporciona un rango de probabilidades de dónde se encuentra realmente? Si se trata de lo segundo, podría existir algún rasgo de la realidad oculto a la mecánica cuántica que limita nuestra certeza. Dicho rasgo sería una «variable oculta», y por ello las teorías basadas en esta idea se denominan teorías de variables ocultas.
En la década de 1960, el físico John Bell diseñó un experimento para descartar dichas teorías. La prueba de Bell analiza la naturaleza cuántica midiendo el grado de entrelazamiento de pares distantes de partículas cuánticas. Si sus propiedades cuánticas se mantienen por encima de un cierto umbral —si su entrelazamiento es lo que denominamos no local, es decir, que abarca cualquier distancia—, entonces podríamos descartar las teorías de variables ocultas. Desde entonces, las pruebas de Bell se han aplicado a numerosos sistemas cuánticos, confirmando unánimemente la no localidad inherente al mundo cuántico.
En 2012, los físicos Matthew Pusey, Jonathan Barrett y Terry Rudolph idearon una prueba aún más rigurosa (denominada PBR en su honor), que permitiría a los experimentadores diferenciar entre diversas interpretaciones de un sistema cuántico. Entre ellas se encuentra la visión óntica, que afirma que nuestras mediciones de un sistema cuántico y su función de onda —la descripción matemática de sus estados cuánticos— representan la realidad. Otra interpretación, denominada visión epistémica, sostiene que esta función de onda es una ilusión y que existe una realidad subyacente más profunda y compleja.
Si suponemos que los sistemas cuánticos no poseen alguna otra característica oculta que pueda afectarlos más allá de la función de onda, entonces las matemáticas de la prueba PBR demuestran que siempre debemos adoptar una perspectiva óntica: que, por extraños que parezcan, los comportamientos cuánticos son reales. La prueba PBR funciona comparando diferentes elementos cuánticos, como un qubit dentro de una computadora cuántica, y midiendo la frecuencia con la que registran el mismo valor para alguna propiedad, como su espín. Si la perspectiva epistémica fuera correcta, la cantidad de veces que los qubits registran el mismo valor sería mayor de lo que predice la mecánica cuántica, lo que indicaría que existe algún otro fenómeno subyacente.
Songqinghao Yang, de la Universidad de Cambridge, y sus colegas han ideado un método para realizar la prueba PBR en una computadora cuántica IBM Heron en funcionamiento, y han comprobado que, para un número reducido de cúbits, podemos afirmar que los sistemas cuánticos son ónticos. Es decir, la mecánica cuántica parece funcionar como se pensaba, tal como lo han demostrado repetidamente las pruebas de Bell.
Yang y su equipo llevaron a cabo esta comprobación midiendo la salida global producida por pares o grupos de cinco qubits, como cadenas de 1 y 0, y calcularon con qué frecuencia este resultado coincidía con su predicción de cómo debería comportarse un sistema cuántico, teniendo en cuenta los errores naturales del sistema.
«Actualmente, todo el hardware cuántico es ruidoso y presenta errores en todas las operaciones. Si añadimos este ruido al umbral de PBR, ¿qué ocurriría con nuestra interpretación [del sistema]?», explica Yang. «Resulta que, si realizamos el experimento a pequeña escala, podemos seguir cumpliendo la prueba PBR original y descartar la interpretación epistémica». Adiós a las variables ocultas.
Si bien pudieron demostrarlo con un número reducido de cúbits, tuvieron dificultades para replicarlo con un mayor número de cúbits en la máquina IBM de 156 cúbits. El ruido, o los errores, en el sistema se volvieron demasiado grandes como para que los investigadores pudieran distinguir entre los dos escenarios en una prueba PBR.
Esto significa que la prueba no puede decirnos si el mundo es completamente cuántico. Podría ser que, a ciertas escalas, la visión óntica prevalezca, mientras que a escalas mayores no podamos observar con precisión los efectos cuánticos.
Poder verificar la «cuantidad» de una computadora cuántica mediante esta prueba podría confirmar que estos dispositivos funcionan como se espera, además de aumentar la probabilidad de que presenten una ventaja cuántica: la capacidad de realizar una tarea que a una computadora clásica le tomaría un tiempo desorbitado. «Si se quiere tener una ventaja cuántica, es necesario que las computadoras cuánticas tengan una naturaleza cuántica; de lo contrario, se puede encontrar un algoritmo clásico equivalente», afirma Haomu Yuan, miembro del equipo de la Universidad de Cambridge.
«La idea de usar PBR como referencia para el rendimiento de los dispositivos es intrigante», afirma Matthew Pusey , de la Universidad de York (Reino Unido), uno de los autores originales de PBR. Sin embargo, Pusey tiene dudas sobre si esto nos revela algo sobre la realidad. «La principal razón para realizar el experimento, en lugar de basarse en la teoría, es si se cree que la teoría cuántica podría ser errónea. Pero si la teoría cuántica es errónea, ¿qué pregunta se está planteando? Toda la concepción de estados ónticos frente a epistémicos presupone la teoría cuántica».
Para encontrar una forma de realizar una prueba PBR que nos revele información sobre la realidad, sería necesario realizarla sin presuponer la veracidad de la teoría cuántica. «Hay una minoría que cree que la física cuántica fallará fundamentalmente a escala mesoscópica», afirma Terry Rudolph , del Imperial College de Londres, otro de los creadores de la prueba PBR. «Si bien este experimento probablemente no sea relevante para descartar ninguna propuesta específica de este tipo —para ser claros, ¡no lo sé con certeza!—, poner a prueba las características fundamentales de la teoría cuántica en sistemas cada vez mayores siempre nos ayuda a reducir el abanico de teorías alternativas».