Científicos brasileños y chinos compatibilizan dos principios fundamentales de la teoría cuántica

Lo hicieron en el marco de un trabajo teórico y experimental en el cual se demostró que la “no localidad” y la “contextualidad” pueden observarse al mismo tiempo en un mismo sistema. Hasta ahora se consideraba que esto era imposible

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – La teoría cuántica, concebida y formulada en el transcurso de las tres primeras décadas del siglo XX, ya es centenaria. A su capacidad de describir con precisión una amplia variedad de fenómenos que despuntan a escala molecular, atómica y subatómica, se le suma también una extensa lista de empleos tecnológicos. Basta con recordar tres aplicaciones que se han vuelto cuasi omnipresentes en la vida cotidiana: los dispositivos láser para la lectura de códigos de barra, los ledes (de las siglas en inglés de diodos emisores de luz) y el GPS (las siglas en inglés de sistema de posicionamiento global).

Pese a ello, la comprensión de los fundamentos de la teoría física cuántica aún no es enteramente satisfactoria. Y algunos de los comportamientos que la misma describe son tan discrepantes con relación al llamado “sentido común”, basado en las vivencias empíricas cotidianas, que sorprenden no solamente a los legos, sino también e incluso a los físicos y a los filósofos de la ciencia. Algunos aspectos contraintuitivos de la teoría cuántica se deben a su carácter probabilístico. Al tratarse de un conjunto de reglas destinadas a calcular las probabilidades de los posibles resultados de mediciones realizadas sobre sistemas físicos, la teoría cuántica en general no es capaz de prever en una sola medición qué resultado se obtendrá.

Una de las ideas que se erigen como retos en la física cuántica es la de la “no localidad”. Esta característica de la realidad se manifiesta cuando dos o más sistemas se generan o interactúan de manera tal que los estados cuánticos de unos no pueden describirse independientemente de los estados cuánticos de los otros. En la jerga científica, se dice que los sistemas quedan “entrelazados”, es decir, quedan fuertemente correlacionados (es el caso en el cual el estado cuántico del todo no está dado por los estados cuánticos definidos de sus constituyentes), más allá de la distancia existente entre los mismos. Otra idea que desafía, que parece ir en sentido inverso, es la de la “contextualidad”. Se trata de la hipótesis de que los resultados de una medición efectuada sobre un objeto cuántico dependen del contexto en el que se realiza dicha medición, es decir, de otras mediciones compatibles concretadas junto a la primera.

Nacidas con la teoría cuántica, la no localidad y la contextualidad avanzaron por senderos independientes durante varias décadas. Un estudio realizado con un caso particular en el año 2014 llegó a demostrar incluso que solamente uno de esos dos fenómenos podría manifestarse en un sistema cuántico. Ese resultado se volvió conocido como “monogamia”. Y sus autores conjeturaron que la no localidad y la contextualidad podrían ser distintas caras de un mismo comportamiento general, que solamente se manifestaría de una u otra manera.

Sin embargo, en un nuevo estudio a cargo de científicos brasileños y chinos, se demostró tanto teórica como experimentalmente que esto no es cierto. La referida investigación, coordinada por Rafael Rabelo, docente del Instituto de Física Gleb Wataghin de la Universidad de Campinas (IFGW-Unicamp), en Brasil, contó con la participación de Gabriel Ruffolo y de André Mazzari, también del IFGW-Unicamp; de Marcelo Terra Cunha, del Instituto de Matemática, Estadística y Computación Científica de dicha universidad (Imecc-Unicamp); de Tassius Temístocles, del Instituto Federal de Alagoas (también en Brasil), y de Peng Xue y Lei Xiao, del Beijing Computational Science Research Center, en China. El artículo al respecto salió publicado en la revista Physical Review Letters, destacado como “sugerencia del editor”.

“En efecto, probamos que es posible observar concomitantemente ambos fenómenos en los sistemas cuánticos. Y el abordaje teórico, desarrollado acá en Brasil, se comprobó mediante un experimento de óptica cuántica que concretaron nuestros colaboradores chinos”, le dice Rabelo a Agência FAPESP.

Desde el punto de vista básico, este nuevo trabajo demuestra de manera definitiva que dos de los aspectos fundamentales en los cuales la física cuántica más difiere de la física clásica pueden observarse al mismo tiempo en el mismo sistema, al contrario de lo que se creía. “De este modo, se vuelve evidente que la no localidad y la contextualidad no son manifestaciones complementarias de un mismo fenómeno”, comenta Rabelo.

En tanto, desde el punto de vista práctico, la no localidad constituye un importante recurso para la criptografía cuántica, y la contextualidad se ubica en la base del desarrollo de un modelo específico de computación cuántica, entre otras aplicaciones. “La posibilidad de contar con ambas al mismo tiempo y en un mismo sistema puede abrir caminos hacia el diseño de nuevos protocolos de procesamiento cuántico de información y de comunicación cuántica”, conjetura el investigador.

Un poco de historia de la ciencia

La idea de no localidad fue una especie de respuesta a la objeción formulada por Albert Einstein (1879-1955) al carácter probabilístico de la física cuántica. En un artículo seminal, publicado en 1935, Einstein, Boris Podolsky (1896-1966) y Nathan Rosen (1909-1995) cuestionaron la completitud de la teoría cuántica. Para ello concibieron un experimento mental que se volvió conocido como “paradoja EPR” (esas letras son las iniciales de los apellidos de los tres científicos). La crítica planteada por EPR sugería que, para justificar ciertas correlaciones no clásicas advenidas del entrelazamiento, sería necesario que sistemas cuánticos lejanos intercambiasen información de forma instantánea, cosa que contraría la teoría especial de la relatividad. Y que este tipo de paradoja derivaría del carácter incompleto de la teoría cuántica, que podría corregirse mediante la incorporación de variables ocultas locales. Estas le devolverían a la física cuántica el carácter presuntamente determinista de la física clásica.

“En 1964, John Stewart Bell (1928-1990) revisó el trabajo de Einstein, Podolski y Rosen e introdujo un formalismo elegante que englobaba todas las teorías de las variables ocultas locales, independientemente de las propiedades particulares que cada una podría tener. Bell probó que ninguna de esas teorías podría reproducir las correlaciones entre las mediciones realizadas en dos sistemas previstas por la física cuántica. Este resultado, que se volvió conocido como teorema de Bell, constituye en mi opinión uno de los más importantes pilares de la física cuántica. A esta propiedad de esas correlaciones fuertes, que no pueden reproducirse siguiendo cualquier teoría local, se la conoce como no localidad de Bell. En 2022, John Clauser, Alain Aspect y Anton Zeilinger fueron galardonados con el Premio Nobel de Física por la observación experimental de la no localidad de Bell, entre otras realizaciones”, informa Rabelo.

Otro importante resultado derivado del debate al respeto de las variables ocultas se planteó en un artículo de Simon Kochen y Ernst Specker (1920-2011), publicado en 1967. Los autores demuestran en él que, debido a la estructura y a las propiedades matemáticas de las mediciones cuánticas, cualquier teoría de las variables ocultas que reproduzca las predicciones de la física cuántica necesariamente debe exhibir un aspecto de contextualidad.

“Pese a la motivación en común, el estudio de la no localidad de Bell y el de la contextualidad de Kochen-Specker avanzaron por sendas independientes durante bastante tiempo. Solo recientemente ha crecido el interés en saber si ambos fenómenos podrían manifestarse concomitantemente en un mismo sistema físico. En un artículo publicado en 2014, Pawel Kurzynski, Adán Cabello y Dagomir Kaszlikowski sostuvieron que no. Esto quedó demostrado con base en un caso particular, pero bastante interesante. Nosotros logramos refutar ese ‘no’ ahora, con nuestro estudio”, afirma Rabelo.

La referida investigación contó con el apoyo de la FAPESP a través de una Ayuda a Jóvenes Investigadores otorgada a Rabelo, de una beca doctoral concedida a Ruffolo y de beca de maestría otorgada a Mazzari.

Puede accederse a la lectura del artículo intitulado Synchronous Observation of Bell Nonlocality and State-Dependent Contextuality en el siguiente enlace: journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.040201.