Científicos explican uno de los misterios más sorprendentes de la física cuántica

El año 2025 marca el centenario del nacimiento de mecánica cuántica. En el siglo transcurrido desde el inicio de este campo, los científicos e ingenieros han utilizado la mecánica cuántica para crear tecnologías como láseres, escáneres de resonancia magnética y chips de computadora.

Hoy en día, los investigadores buscan construir computadoras cuánticas y formas de transferir información de forma segura utilizando un campo hermano completamente nuevo llamado ciencia de la información cuántica.

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Pero a pesar de crear todas estas tecnologías innovadoras, los físicos y filósofos que estudian la mecánica cuántica todavía no han encontrado las respuestas a algunas grandes preguntas planteadas por los fundadores del campo. Dados los recientes avances en la ciencia de la información cuántica, investigadores como yo están utilizando la teoría de la información cuántica para explorar nuevas formas de pensar sobre estas preguntas fundamentales sin respuesta. Y una dirección en la que estamos estudiando relaciona el principio de relatividad de Albert Einstein con el cúbit.

Computadoras cuánticas

La ciencia de la información cuántica se centra en la construcción de computadoras cuánticas basadas en un "bit" cuántico de información,o cúbit. El cúbit se basa históricamente en los descubrimientos de los físicos Max Planck y Einstein. Ellos impulsaron el desarrollo de la mecánica cuántica en 1900 y 1905, respectivamente, cuando descubrieron que la luz existe en paquetes de energía discretos o “cuánticos”.

Estos cuantos de energía también están presentes en pequeñas formas de materia, como átomos y electrones, que constituyen todo lo que existe en el universo. Son las extrañas propiedades de estos pequeños paquetes de materia y energía las responsables de las ventajas computacionales del cúbit.

Una computadora basada en un bit cuántico en lugar de un bit clásico podría tener una ventaja informática significativa. Y eso se debe a que un bit clásico produce una respuesta binaria (ya sea un 1 o un 0) a una sola consulta.

Por el contrario, el cúbit produce una respuesta binaria a una infinidad de consultas utilizando la propiedad de superposición cuántica. Esta propiedad permite a los investigadores conectar múltiples cúbits en lo que se llama un estado entrelazado cuántico. Aquí, los cúbits entrelazados actúan colectivamente de una manera que los conjuntos de bits clásicos no pueden.

Eso significa que una computadora cuántica puede hacer algunos cálculos mucho más rápido que una computadora común. Por ejemplo, un dispositivo utilizó 76 cúbits entrelazados para resolver un problema de muestreo 100 billones de veces más rápido que un ordenador clásico.

Pero la fuerza o principio exacto de la naturaleza responsable de este estado cuántico entrelazado que subyace a la computación cuántica es una gran pregunta sin respuesta. Una solución que mis colegas y yo hemos propuesto en la teoría de la información cuántica tiene que ver con el principio de la relatividad de Einstein.

Teoría de la información cuántica

El principio de relatividad dice que las leyes de la física son las mismas para todos los observadores, independientemente de dónde se encuentren en el espacio, cómo estén orientados o cómo se muevan entre sí. Mi equipo mostró cómo utilizar el principio de la relatividad junto con los principios de la teoría de la información cuántica para dar cuenta de las partículas cuánticas entrelazadas.

Los teóricos de la información cuántica como yo pensamos en la mecánica cuántica como una teoría de los principios de la información más que una teoría de fuerzas. Esto es muy diferente al enfoque típico de la física cuántica, en el que la fuerza y ​​la energía son conceptos importantes para realizar los cálculos. Por el contrario, los teóricos de la información cuántica no necesitan saber qué tipo de fuerza física podría estar causando el misterioso comportamiento de las partículas cuánticas entrelazadas.

Eso nos da una ventaja para explicar el entrelazamiento cuántico porque, como físico John Bell demostró en 1964, cualquier explicación del entrelazamiento cuántico en términos de fuerzas requiere lo que Einstein llamó “acciones espeluznantes a distancia”.

Esto se debe a que los resultados de las mediciones de las dos partículas cuánticas entrelazadas están correlacionados, incluso si esas mediciones se realizan al mismo tiempo y las partículas están físicamente separadas por una gran distancia. Entonces, si una fuerza está causando un entrelazamiento cuántico, tendría que actuar más rápido que la velocidad de la luz. Y una fuerza más rápida que la luz viola la teoría de la relatividad especial de Einstein.

Muchos investigadores están tratando de encontrar una explicación para el entrelazamiento cuántico que no requiera acciones espeluznantes a distancia, como la solución propuesta por mi equipo.

Entrelazamiento clásico y cuántico

En el entrelazamiento, puedes saber algo sobre dos partículas colectivamente (llamémoslas partícula 1 y partícula 2), de modo que cuando mides la partícula 1, inmediatamente sabes algo sobre la partícula 2.

Imagina que estás enviando un correo a dos amigos, a quienes los físicos suelen llamar Alice y Bob, cada uno con un guante del mismo par de guantes. Cuando Alice abre su caja y ve un guante de la mano izquierda, sabrá inmediatamente que cuando Bob abra la otra caja verá el guante de la mano derecha. Cada combinación de caja y guante produce uno de dos resultados: un guante para la mano derecha o un guante para la mano izquierda. Solo hay una medida posible (abrir la caja), por lo que Alice y Bob han entrelazado fragmentos de información clásicos.

Pero en entrelazamiento cuántico la situación involucra cúbits entrelazados, que se comportan de manera muy diferente a los bits clásicos.

Comportamiento del cúbit

Consideremos una propiedad de los electrones llamada espín. Cuando se mide el espín de un electrón utilizando imanes orientados verticalmente, siempre se obtiene un espín hacia arriba o hacia abajo, nada intermedio. Ese es un resultado de medición binaria, por lo que esto es un poco de información.

Si giras los imanes de lado para medir el giro de un electrón horizontalmente, siempre obtendrás un giro hacia la izquierda o hacia la derecha, nada intermedio. Las orientaciones vertical y horizontal de los imanes constituyen dos medidas diferentes de este mismo bit. Entonces, el espín del electrón es un cúbit: produce una respuesta binaria a múltiples mediciones.

Superposición cuántica

Ahora supongamos que primero mides el espín de un electrón verticalmente y descubres que está hacia arriba, luego mides su espín horizontalmente. Cuando estás de pie, no te mueves ni hacia la derecha ni hacia la izquierda. Entonces, si mido cuánto te mueves de lado a lado mientras estás de pie, obtendré cero.

Eso es exactamente lo que se podría esperar de los electrones de giro vertical. Dado que tienen un giro orientado verticalmente, análogo a estar de pie, no deberían tener ningún giro horizontal hacia la izquierda o hacia la derecha, análogo a moverse de lado a lado.

Asombrosamente, los físicos han encontrado que la mitad de ellos están horizontalmente hacia la derecha y la otra mitad están horizontalmente hacia la izquierda. Ahora bien, no parece tener sentido que un electrón con giro vertical ascendente tenga resultados de giro izquierdo (-1) y giro derecho (+1) cuando se mide horizontalmente, del mismo modo que no esperamos ningún movimiento de lado a lado cuando estamos de pie erguidos.

Pero cuando sumas todos los resultados de giro izquierdo (-1) y derecho (+1), obtienes cero, como esperábamos en la dirección horizontal cuando nuestro estado de giro es vertical hacia arriba. Entonces, en promedio, es como no tener movimiento horizontal o de lado a lado cuando estamos de pie.

Esta proporción de 50-50 sobre los resultados binarios (+1 y -1) es de lo que hablan los físicos cuando dicen que un electrón con espín vertical está en una superposición cuántica de espines horizontales a izquierda y derecha.

Entrelazamiento del principio de relatividad

Según la teoría de la información cuántica, toda la mecánica cuántica, incluidos sus estados entrelazados cuánticos, se basa en el cúbit con su superposición cuántica.

Lo que mis colegas y yo propusimos es que esta superposición cuántica resulta del principio de relatividad, que (nuevamente) afirma que las leyes de la física son las mismas para todos los observadores con diferentes orientaciones en el espacio.

Si el electrón con un espín vertical en dirección ascendente pasara directamente a través de los imanes horizontales como es de esperar, no tendría espín horizontal. Esto violaría el principio de relatividad, que dice la partícula debe tener un espín independientemente de si se mide en dirección horizontal o vertical.

Debido a que un electrón con un espín vertical en dirección ascendente tiene un espín cuando se mide horizontalmente, los teóricos de la información cuántica pueden decir que el principio de relatividad es (en última instancia) responsable del entrelazamiento cuántico.

Y dado que no se utiliza ninguna fuerza en esta explicación del principio, no hay ninguna de las “acciones espeluznantes a distancia” de las que Einstein se burló.

Una vez establecidas firmemente las implicaciones tecnológicas del entrelazamiento cuántico para la computación cuántica, es bueno saber que una gran pregunta sobre su origen puede responderse con un principio físico de gran prestigio.

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William Mark Stuckey es catedrático de Física en el Elizabethtown College, en EEUU. Puedes leer el artículo original en inglés aquí.

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation y traducido para su publicación en Novaceno.