Conmutador clásico: Scarlett Johansson ya ha llegado al café, pero no sabemos si ha pasado ya por el quiosco o lo hará después

En el número de agosto de 2021 de Investigación y Ciencia se incluye un artículo titulado "La física cuántica reescribe la causalidad". En el subtítulo se afirma que "varios experimentos recientes han mostrado que es posible mezclar el orden de las causas y los efectos". El texto es una traducción del publicado por Natalie Wolchover en la revista "Quanta Magazine" en marzo de 2021. 

Como casi siempre en la divulgación de la física cuántica, el tema se presta al chascarrillo, la metáfora alegre, el sensacionalismo y el disparate. Conviene entonces tener cerca el diccionario. 

El artículo se refiere a los experimentos realizados con el llamado "conmutador cuántico" ("quantum switch"). En un conmutador cuántico, el camino a seguir por un fotón depende del estado de un bit cuántico o cúbit: si el cúbit está en un estado el fotón pasará primero por A y luego por B, mientras que si el cúbit está en en su otro estado, el fotón pasará primero por B y luego por A. Si ahora ponemos al cúbit en un estado de superposición, en el que tendrá una cierta probabilidad (digamos 50%) de estar en cada uno de los estados, la consecuencia será que el fotón tendrá una probabilidad del 50% de ir por un camino o por otro. Por tanto, tendrá un 50% de probabilidad de pasar primero por A y después por B, y un 50% de probabilidad de pasar primero por B y después por A. ¡Extraordinario! ¡Maravilloso! ¡Ah, los misterios de la física cuántica! Esperemos un momento, no vaya a ser que nos pase lo mismo que con el entrelazamiento cuántico: nos explican que hay unas correlaciones entre sistemas distintos que nos parecen fascinantes, y luego lo pensamos cinco minutos y encontramos un ejemplos con bolitas de colores que hace lo mismo. A ver... ¡Efectivamente, lo mismo pasa aquí!

Pongamos un ejemplo sencillo, de nuestra vida cotidiana: imaginemos que hemos quedado para tomar un café con Scarlett Johansson. A la izquierda del café hay un quiosco, donde Scarlett quiere comprar Investigación y Ciencia para informarse de las últimas novedades en física cuántica y practicar español. Ahora bien, que Scarlett llegue al café por la izquierda o por la derecha depende de la decisión de un guardia de tráfico, quien el 50% de las ocasiones cierra una calle que impide a Scarlett llegar por la derecha. Por tanto, hay un 50% de probabilidades de que Scarlett se tome un café con nosotros y después compre Investigación y Ciencia, y un 50% de probabilidades de que suceda al revés: primero compre Investigación y Ciencia, porque llega al café por la izquierda, y luego se tome el café con nosotros. Vaya, parece que la cosa no es tan misteriosa... El hecho de que el orden en el que suceden dos cosas no esté bien definido no parece tan relevante. 

Naturalmente, que tengamos una superposición cuántica y no una mezcla clásica de probabildades tiene consecuencias, pero ¿tiene esto algo que ver con la causalidad? De nuevo, el paralelismo con el entrelazamiento cuántico puede ser útil. En el caso del entrelazamiento, las desigualdades de Bell muestran la gran diferencia con la física clásica: los estados con suficiente entrelazamiento cuántico violan las desigualdades de Bell, mientras que cualquier teoría en la que las propiedades físicas estén bien definidas no puede hacerlo. Sería entonces útil tener unas desigualdades que una teoría con causalidad bien definida no pueda violar. De hecho, eso es exactamente lo que consiguió Caslav Brukner, físico teórico implicado en los experimentos del conmutador cuántico y que aparece en el reportaje de Wolchover: encontró una cota superior para el resultado de ciertos experimentos, si suponemos que existe un orden causal que impone las restricciones habituales, impidiendo hacer determinadas cosas. Pues bien, ¿viola el conmutador cuántico estas "desigualdades causales"? La respuesta es bien conocida desde hace años: no. Por tanto, no hay nada en el conmutador cuántico que no pueda conseguirse en una teoría con un orden causal bien definido. De hecho, antes lo hemos explicado con un orden causal bien definido: hay dos posibles caminos, cada uno de los cuales respeta la causalidad (no hay nada que se mueva instantáneamente, ni más rápido que la luz, ni señales viajando hacia el pasado, ni nada parecido). Más aún, un artículo reciente de dos investigadores de la Universidad de Bristol muestra claramente lo que dice su título "Quantum theory cannot violate a causal inequality" ("la teoría cuántica no puede violar una desigualdad causal"). Esto explica por qué a nadie se le ha ocurrido un experimento en el que se puedan violar las desigualdades causales de Brukner y nos tengamos que conformar con el conmutador cuántico. Pero más aún, en el caso del conmutador cuántico, ¿podemos hablar de "superposición de órdenes causales" o de "orden causal indefinido"? Otro de los físicos teóricos implicado en estos experimentos, Fabio Costa, lo explica en otro artículo reciente: "aunque a veces se le describa coloquialmente como una "superposición de órdenes causales", el conmutador cuántico se interpreta de hecho más adecuadamente como "entrelazamiento" entre relaciones causales y el sistema de control." El sistema de control es el cúbit del que depende el camino del fotón, que juega el papel del guardia de tráfico en nuestro ejemplo. Costa explica que una superposición pura de órdenes causales requiriría prescindir del sistema de control, y dedica el artículo a intentar buscar una situación en la que se pudiera obtener esa superposición pura, sin encontrar ninguna

Así que no, los experimentos del conmutador cuántico no han mostrado que se puedan mezclar causas con efectos, ni están reescribiendo el concepto de causalidad. Y todo parece indicar que no hay nada en la física cuántica que conocemos que permita tales cosas. 

El conmutador cuántico es un experimento bonito y puede tener aplicaciones tecnológicas pero, como suele suceder con la física cuántica, no tiene las propiedades fabulosas que se la atribuyen en los artículos de divulgación. 

Carlos Sabín
Carlos Sabín

Físico teórico. Investigador "Ramón y Cajal" en el Departamento de Física Teórica de la UAM. Autor de "Verdades y mentiras de la física cuántica".

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