Un experimento brasileño confirma uno de los principales fundamentos de la física cuántica

Científicos del país aplicaron sofisticados métodos de control cuántico para poner a prueba la validez del principio de complementariedad postulado por Niels Bohr en 1927. Los resultados se publicaron en la revista Communications Physics

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Con más de un siglo de existencia y una larga estela de aplicaciones tecnológicas –desde el led (las siglas en inglés de diodo emisor de luz) hasta el GPS (las siglas en inglés de sistema de posicionamiento global)–, la física cuántica se erigió en la época de su surgimiento como un enorme desafío a la visión de mundo de los científicos implicados. Polémicas encendidas signaron su desarrollo, la más importante de ellas entablada en las décadas de 1920 y 1930 por dos gigantes de la ciencia: Albert Einstein (1879-1955) y Niels Bohr (1885-1962).

La cuestión de ese debate residía en la realidad física del mundo microscópico, molecular, atómico y subatómico. ¿Sería este algo rigurosamente determinado, tal como parece suceder en los fenómenos macroscópicos de la vida cotidiana, o el propio proceso de observación científica influiría sobre las propiedades del sistema observado?

Einstein abogaba por la idea de que la realidad de los estados microscópicos independía del contexto experimental. La dificultad residía en conocer esa realidad. Para ello sería necesario completar la teoría cuántica mediante la incorporación de “variables ocultas”, ignoradas en ese entonces. Bohr, por su parte, afirmaba que los sistemas cuánticos exhibían “aspectos mutuamente excluyentes y complementarios”. Nunca podría accederse a ellos al mismo tiempo en un ordenamiento experimental. El proceso de observación determinaría cuál de ellos se manifestaría.

Existen controversias entre los historiadores de la ciencia acerca de si esa discusión tuvo o no un ganador. Con todo, ya sea por su valor intrínseco o por factores circunstanciales, la opinión de Bohr terminó por prevalecer. Y su famoso “principio de complementariedad” –que constituye junto al “principio de incertidumbre” de Werner Heisenberg (1901-1976) el fundamento de la llamada “interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica”– tuvo amplia aceptación en el seno de la comunidad científica y fuera de ella.

Dicho de manera simplificada, el principio de complementariedad sostiene que no es posible tener un acceso completo a la realidad microscópica partiendo de una sola configuración. Lo que le cabe entonces a la ciencia es decir cómo esta se comporta en el marco de una observación particular. Y se comporta de manera dual, al exhibir una u otra característica dependiendo de cómo se lleva a cabo el experimento. Si bien estas características son contradictorias y mutuamente excluyentes desde el punto de vista clásico, es necesario considerar ambas para accederse a una descripción exhaustiva del fenómeno.

A partir del año 2011, distintos grupos de investigadores en el mundo han venido realizando sofisticados experimentos con la intención de poner a prueba el principio de complementariedad de un modo diferente al que se lo había hecho anteriormente. Y en estos, un fotón (la partícula elemental de la luz) pareció manifestar un comportamiento híbrido, de partícula o corpúsculo y de onda al mismo tiempo, en el mismo ordenamiento experimental, aparentemente violando el supuesto de Bohr. Así es como se llegó a postular una revisión radical del principio de complementariedad en experimentos controlados cuánticamente.

Un nuevo trabajo en esa línea de investigación se concretó en el Centro de Ciencias Naturales y Humanas de la Universidad Federal del ABC (CCNH-UFABC). Y sus resultados se publicaron recientemente en la revista Communications Physics.

“Nuestro estudio tuvo dos grandes motivaciones. La primera consistió en verificar la validez del principio de complementariedad de Bohr en escenarios de control cuántico. La segunda apuntó a profundizar la investigación del realismo físico en experimentos controlados cuánticamente para saber si la estadística observada en el experimento con control cuántico sería suficiente por sí sola para describir un relato preciso de la dualidad partícula-onda”, dice el físico Pedro Ruas Dieguez, primer autor del trabajo y posdoctorando en el International Centre for Theory of Quantum Technologies (ICTQT), vinculado a la Universidad de Gdansk, en Polonia, y a la Academia Austríaca de Ciencias de Austria.

“Con una configuración experimental distinta a la empleada en los estudios que se han venido llevando a cabo en el transcurso de la última década, verificamos experimentalmente y también mediante ecuaciones teóricas que la determinación simultánea de las dos propiedades, de partícula y de onda, no se sostiene. Es más: verificamos que la imposibilidad de violar el principio de Bohr está asociada a una importante propiedad cuántica, el entrelazamiento, un tipo de correlación no clásica. Y arribamos a la conclusión de que las correlaciones cuánticas entre espines producidas en nuestro experimento fueron suficientes como para demostrar que los realismos de las interpretaciones de partícula y de onda nunca pueden observarse simultáneamente, aun cuando se aplique un control cuántico que permita interpolar entre ambos comportamientos”, prosigue el investigador.

La dualidad partícula-onda

Para entender este resultado es necesario retroceder casi cien años en la historia, hasta el año 1924, cuando en su tesis de doctoral, el físico y príncipe francés Louis de Broglie (1892-1987) postuló una ecuación que asocia a cualquier cuerpo material una onda. Si la masa del cuerpo es muy grande, tal como sucede con los entes macroscópicos, la longitud de onda se vuelve tan pequeña que escapa a la capacidad de detección de los instrumentos de medición. Pero cuando la masa es pequeña, tal como sucede con las moléculas, los átomos y las partículas subatómicas, las características ondulatorias se vuelven bastante significativas.

La comprobación experimental por excelencia del postulado de De Broglie llegó con el famoso “experimento de las dos rendijas”. Este aparato experimental consiste en una fuente de electrones que emite una partícula por vez. Las partículas solamente pueden pasar a través de dos ranuras paralelas e inciden sobre una visera recubierta con papel fotográfico. Si se abre solamente una de las rendijas, las impresiones que se producen en el papel son características de impactos causados por corpúsculos. Pero cuando se abren ambas rendijas simultáneamente, la figura que se forma por las impresiones en el papel exhibe un patrón típico del fenómeno de interferencia, que sucede cuando dos o más movimientos ondulatorios se superponen.

Una manera más sofisticada experimentalmente de observar la dualidad partícula-onda surge del interferómetro de Mach-Zehnder de fotón único. En ese caso, el patrón de interferencia aparece cuando el dispositivo está cerrado y desaparece cuando se lo abre.

“Según Bohr, la realidad de partícula u onda solamente queda establecida después de que todo el ordenamiento experimental se encuentra definido. ¿Qué sucedería si fuese posible elegir entre dejar el interferómetro abierto o cerrado recién después de que el fotón hubiese recorrido el trayecto del interferómetro y hubiese por ende adquirido el aspecto de partícula o de onda? Fue este el interesante experimento que propuso el físico John Wheeler [1911-2008] para poner a prueba la validez del principio de complementariedad de Bohr”, comenta Ruas Dieguez.

Wheeler presentó su propuesta como un experimento mental, que parecía muy difícil de realizar en la práctica. Pero esa prueba, que se volvió conocida como “experimento de elección postergada de Wheeler”, terminó realizándose efectivamente casi 30 años después. Y sus resultados se publicaron en el año 2007 en la revista Science.

“Quedo demostrado así que aun al postergar la elección el principio de complementariedad no era violado. Con el interferómetro abierto, el sistema cuántico seguía comportándose como partícula. Y con el interferómetro cerrado se comportaba como onda. Por ende, dejaba explícito el hecho de que cada ordenamiento experimental −con el interferómetro abierto o cerrado− estaba asociado a un aspecto, de partícula o de onda del sistema respectivamente”, informa Ruas Dieguez.

El principio de complementariedad parecía estar a salvo. Pero es precisamente una característica del proceso científico nunca descansar sobre los resultados alcanzados. De este modo, en el año 2011, los físicos teóricos concibieron una versión enteramente cuántica del experimento de Wheeler. En este caso, en lugar de elegir en forma postergada si el interferómetro sería abierto o cerrado, los científicos propusieron aplicar el principio de superposición cuántica para construir un interferómetro que pudiese estar abierto y cerrado al mismo tiempo.

Esta situación aparentemente paradójica es distinta al lanzamiento de una moneda, cuando existe la posibilidad de obtener uno entre dos resultados excluyentes: cara o cruz. En el caso de la superposición cuántica, ambas posibilidades coexisten, así como dos ondas en la superficie de un lago pueden superponerse. En esta nueva generación de experimentos, un sistema cuántico adicional se utiliza para controlar la configuración del interferómetro.

“Esta propuesta teórica dio origen a experimentos con control cuántico realizados por grupos en diversas partes del mundo, incluido un grupo experimental brasileño. Los resultados parecieron apuntar algo sorprendente. Con base en la capacidad de interpolar suavemente las estadísticas entre un patrón de partícula y un patrón de onda, los investigadores sugirieron la manifestación de comportamientos híbridos, de partícula y de onda, valiéndose de un mismo aparato experimental para su detección. Esto parecía contrariar por primera vez en la historia el principio de Bohr, y resultó en una serie de discusiones en la literatura científica”, comenta Ruas Dieguez.

Una nueva configuración experimental

Ese historial fue lo que lo llevó a realizar junto a colaboradores el nuevo experimento que se menciona aquí. “Empleamos un cuantificador del grado de realismo físico de un determinado estado cuántico para una determinada característica observable. A partir de ese criterio de realidad, demostramos que no había conexión efectiva entre la estadística observada en los experimentos anteriores con los elementos de realidad de partícula y onda. Este fue un punto importante. Con base en él, pudimos argumentar que, en lugar de revisar el principio de Bohr, deberíamos revisar primero el propio ordenamiento experimental utilizado en los experimentos de elección cuántica postergada”, afirma el investigador.

El grupo propuso entonces otra configuración experimental para determinar el nexo entre los resultados visibles suministrados por el interferómetro, dados por la estadística final, y los elementos de realidad de partícula y de onda dentro del dispositivo.

“Plasmamos esas ideas en un experimento de prueba de principio aplicando resonancia magnética nuclear [RMN], una técnica similar a la de los estudios por imágenes que se emplean en medicina. En ese experimento, los espines [la propiedad magnética de las partículas elementales análoga a la ubicación de la aguja de una brújula] de los núcleos de distintos átomos en una molécula en formato de sodio [HCO₂Na] se manipularon con ondas de radio”, describe Ruas Dieguez.

El espín del núcleo de carbono se empleó para controlar cuánticamente un interferómetro utilizado para el espín nuclear del hidrógeno. El interferómetro estaba asociado a dos configuraciones posibles del hidrógeno análogas a dos caminos que podían recorrerse. Dependiendo del estado del núcleo de carbono, el interferómetro podía estar abierto, cerrado o en una superposición de ambas posibilidades.

“Ese control del carbono sobre el hidrógeno sucede debido a la interacción entre ambos y a pulsos de radio utilizados convenientemente [el escenario del experimento es representado esquemáticamente en la figura que ilustra este reportaje]. Al final del experimento, la probabilidad de observación del espín del hidrógeno en una determinada dirección estaba asociada a una diferencia entre los dos trayectos del interferómetro y a su control cuántico con el espín del carbono. Este nuevo ordenamiento experimental produjo exactamente la misma estadística final de los experimentos anteriores de elección cuántica postergada. Sin embargo, demostramos que en la nueva configuración los elementos de realidad para partícula u onda dentro del interferómetro estaban formalmente asociados a la probabilidad medida. A diferencia de los experimentos realizados durante la última década, nuestros resultados validan una vez más el principio de complementariedad de Bohr”, dice Ruas Dieguez.

Y sentencia: “Arribamos a la conclusión de que la correlación cuántica entre los espines de los núcleos de hidrógeno y de carbono en el experimento era suficiente como para demostrar que ambas interpretaciones realistas, de partícula y de onda, nunca podrían observarse simultáneamente, aun cuando se aplique un control cuántico que permita interpolar entre los dos comportamientos. Este resultado corrobora la idea de que la realidad física es descrita por aspectos mutuamente excluyentes, pero que se complementan”.

El experimento tuvo lugar en el Laboratorio Multiusuarios de Resonancia Magnética Nuclear de la Universidad Federal del ABC. El equipo experimental, constituido íntegramente por investigadores brasileños, estuvo encabezado por Roberto Menezes Serra, docente de la UFABC. Y para el mismo se contó también con la participación del profesor Renato Moreira Angelo, de la Universidad Federal de Paraná (UFPR).

Todo este trabajo se concretó durante la pandemia de COVID-19, respetando y siguiendo estrictamente las normas de seguridad sanitaria estipuladas por la universidad.

La investigación se llevó a cabo en el ámbito del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología (INCT) en Información Cuántica –uno de los INCT que cuentan con el apoyo de la FAPESP y del Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq) de Brasil en el estado de São Paulo–, coordinado por Amir Caldeira, y mediante la concesión de una beca de posdoctorado bajo la supervisión de Menezes Serra.

Puede accederse a la lectura del artículo intitulado Experimental assessment of physical realism in a quantum-controlled device en el siguiente enlace: www.nature.com/articles/s42005-022-00828-z.