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22 de Septiembre de 2020
Física cuántica

Más allá del gato de Schrödinger

Una versión de laboratorio del experimento mental clásico conocido como «el amigo de Wigner» impone nuevos límites sobre la naturaleza cuántica de la realidad.

El papel del observador en el proceso de medida ha sido fuente de divergencias a la hora de interpretar la teoría cuántica. Un nuevo trabajo ha investigado la hipótesis de que, al efectuar un experimento, las mediciones cuánticas arrojen un resultado absoluto sobre el que todos los observadores deban estar de acuerdo.  [berya113/iStock/Getty]

¿Qué se sentirá al estar vivo y muerto a la vez? Esta pregunta irritó e inspiró al físico húngaro-estadounidense Eugene Wigner en los años sesenta del siglo pasado. Wigner se sentía frustrado ante las paradojas que surgían de la mecánica cuántica, la teoría que gobierna el mundo microscópico y que, entre otras muchas cosas contrarias al sentido común, establece que, hasta que no observamos un sistema cuántico, este no tiene por qué poseer propiedades bien definidas.

Un ejemplo famoso nos lo proporciona el experimento mental concebido varios años antes por el austríaco Erwin Schrödinger. En él, un gato se encuentra encerrado en una caja con un veneno que se liberará si un átomo radiactivo se desintegra. La radiactividad es un proceso cuántico, por lo que, antes de que abramos la caja y observemos el estado del sistema, el átomo se hallará íntegro y desintegrado a la vez. Por tanto, ello parecería dejar al desventurado felino también en un limbo, una supuesta superposición de la vida y la muerte. Pero ¿experimenta el gato semejante superposición?

Wigner reelaboró la paradoja imaginando a un amigo (humano) encerrado en un laboratorio y midiendo de un sistema cuántico. Y argumentó que era absurdo afirmar que su amigo se encontraría en una superposición de estados consistente en ver y no ver la desintegración hasta que Wigner abriese la puerta del laboratorio. «El experimento mental del "amigo de Wigner" muestra que las cosas pueden volverse aún más extrañas si el observador también es observado», explica Nora Tischler, experta en sistemas cuánticos de la Universidad Griffith, en Australia.

En un trabajo reciente, Tischler y sus colaboradores han llevado a cabo una versión del experimento mental de Wigner que combina la propuesta original con el entrelazamiento, otro fenómeno cuántico que vincula las propiedades de partículas distantes. Gracias a ello han formulado un nuevo teorema que, según los autores, impone las mayores limitaciones conocidas hasta la fecha sobre la naturaleza última de la realidad. El artículo, publicado en Nature Physics, tiene implicaciones sobre el papel que podría desempeñar la consciencia en la teoría cuántica e incluso sobre si esta debería ser reemplazada.

El nuevo trabajo supone «un importante paso adelante en el campo de la metafísica experimental», apunta Aephraim Steinberg, investigador de la Universidad de Toronto que no participó en el estudio. «Es el principio de lo que espero que sea un gran programa de investigación», añade.

Una cuestión de gusto

Hasta la aparición de la mecánica cuántica moderna en los años veinte del siglo pasado, los físicos daban por hecho que sus teorías eran deterministas; es decir, capaces de generar predicciones totalmente libres de ambigüedades una vez conocidas todas las condiciones iniciales de un sistema. Sin embargo, la teoría cuántica resultó ser inherentemente probabilística. La versión que suelen recoger los libros de texto, conocida como «interpretación de Copenhague», establece que, hasta que no se miden las propiedades de un sistema, estas pueden abarcar todo un abanico de valores. Tales superposiciones solo se reducen a un único estado cuando observamos el sistema; sin embargo, es imposible predecir con exactitud cuál será el resultado. Wigner llegó a sostener el punto de vista de que, de algún modo, la consciencia desencadenaría ese «colapso» de la superposición inicial. Así pues, su hipotético amigo (un ser consciente) percibiría un resultado bien definido al efectuar una medida, por lo que él mismo nunca llegaría a encontrarse en un estado de superposición.

Desde entonces, ese punto de vista ha perdido adeptos. «Quienes trabajan en los fundamentos de la mecánica cuántica descartan el planteamiento de Wigner por considerarlo fantasmagórico y mal definido, ya que otorga un papel especial al observador», explica David Chalmers, filósofo y científico cognitivo de la Universidad de Nueva York. Hoy, la mayoría de los físicos coinciden en que los objetos inanimados son capaces de poner fin a las superposiciones cuánticas mediante un proceso conocido como «decoherencia», el cual básicamente describe la interacción entre un sistema cuántico y el entorno. Y de hecho, quienes intentan manipular superposiciones cuánticas en el laboratorio comprueban constantemente cómo estas se desvanecen en cuanto las moléculas del aire colisionan con el sistema, razón por la que han de trabajar a temperaturas ultrabajas y aislando todo lo posible sus experimentos del entorno.

A lo largo de las décadas se han propuesto varias interpretaciones de la teoría cuántica que renuncian a dar un papel a la consciencia para dar cuenta de por qué las superposiciones se desmoronan. Cada una de ellas entraña su propia explicación del experimento mental de Wigner. Tal vez la más exótica sea la llamada interpretación de los muchos mundos, según la cual, cada vez que se realiza una medida cuántica, la realidad se fractura en universos paralelos que acomodan todos los resultados posibles. De este modo, el amigo de Wigner se dividiría en dos copias y, «con una supertecnología lo suficientemente buena», se podría incluso determinar que esa persona esté en una superposición desde el exterior del laboratorio, afirma Lev Vaidman, físico de la Universidad de Tel Aviv y partidario de dicha interpretación.

Otra alternativa es la mecánica bohmiana, así llamada en honor al físico David Bohm. Esta propone que, a un nivel fundamental, los sistemas cuánticos sí poseen propiedades bien definidas, solo que no las conocemos lo suficientemente bien para predecir con exactitud su comportamiento. En tal caso, el amigo de Wigner experimentaría una sola cosa, solo que nosotros podríamos seguir creyendo que se encuentra en una superposición como consecuencia de nuestra propia ignorancia.

Por su parte, un marco interpretativo relativamente nuevo, el bayesianismo cuántico, o QBismo (QBism o quantum Bayesianism, por su referencia al matemático del siglo XVIII Thomas Bayes y sus trabajos en teoría de la probabilidad), defiende que una persona solo puede usar la mecánica cuántica para calcular cómo calibrar sus suposiciones sobre lo que va a medir en un experimento. «Los resultados de una medición deben considerarse como algo personal para el agente que efectúa la medida», explica Ruediger Schack, físico de la Universidad de Londres y uno de los fundadores de esta interpretación. Según ella, la teoría cuántica no puede decirnos nada sobre el verdadero estado de la realidad, ni tampoco puede usarla Wigner para especular sobre lo que experimenta su amigo.

Otra interpretación, la retrocausalidad, permite que los sucesos del futuro influyan en el pasado. «En un relato retrocausal, el amigo de Wigner experimenta algo», afirma Ken Wharton, físico de la Universidad Estatal de San José en California y uno de los defensores de este punto de vista. Pero ese «algo» puede depender de la decisión de Wigner sobre cómo observará más tarde a esa persona.

El problema es que cada una de estas interpretaciones es igual de buena —o mala— a la hora de predecir el resultado de un experimento, por lo que decidirse por una o por otra viene a ser una cuestión de gusto. «Nadie sabe cuál es la solución», señala Steinberg. «Ni siquiera sabemos si la lista de soluciones potenciales que tenemos es exhaustiva.»

Otras propuestas, conocidas como modelos de colapso, implican predicciones verificables, ya que en realidad constituyen modificaciones de la teoría cuántica original. Estos modelos agregan un mecanismo físico que hace que los sistemas cuánticos colapsen cuando superan cierto tamaño. Eso explicaría por qué los gatos, las personas y otros objetos macroscópicos no experimentan nunca tales superposiciones. Sin embargo, hasta ahora los experimentos no han hallado pruebas de la existencia de dichos mecanismos físicos de colapso. Además, a lo largo de los años los físicos han logrado llevar objetos cada vez más grandes a estados de superposición; el año pasado, un equipo de Viena lo logró con una molécula formada por más de mil átomos. La mayoría de las interpretaciones implican que no debería haber ninguna razón fundamental por la que sea imposible obtener estados de superposición en objetos cada vez mayores, al menos siempre que se consigan condiciones de laboratorio inmaculadas que eviten la decoherencia. Sin embargo, los modelos de colapso predicen que algún día se alcanzará ese límite, por más cuidadosa que sea la preparación de los experimentos. «Si tomas un observador clásico, como un humano, y lo tratas como un sistema cuántico, colapsará inmediatamente», asegura Angelo Bassi, físico de la Universidad de Trieste y proponente de los modelos de colapso.

Una manera de observar al amigo de Wigner

Lo que llevó a Tischler y a sus colaboradores a concebir el nuevo trabajo fue el convencimiento de que llevar a cabo un experimento similar al concebido en su día por Wigner podría arrojar luz sobre los límites de la teoría cuántica. Para ello, se inspiraron en varios resultados teóricos y experimentales que, en los últimos años, han investigado el papel del observador en la teoría cuántica incorporando a la configuración clásica de Wigner el fenómeno del entrelazamiento.

Para entender este fenómeno, podemos imaginar dos fotones polarizados horizontal y verticalmente a la vez. Que ambos fotones estén entrelazados quiere decir que, al medir sus polarizaciones, estas siempre mostrarán resultados opuestos. Tal vez esto no parezca extraño, pero lo es si recordamos que las propiedades de una partícula cuántica no están fijadas antes de que las midamos. Por tanto, si entregamos uno de los fotones a una física llamada Alicia que está en Melbourne y otro a un colega llamado Benito que se encuentra en Viena, el entrelazamiento garantiza que, tan pronto como Alicia observe su fotón y mida una polarización horizontal, eso asegurará que Benito, aun estando a miles de kilómetros, medirá siempre una polarización vertical. Dado que eso parecería implicar que los fotones se comunican instantáneamente, Albert Einstein famosamente tildó el fenómeno de «fantasmal acción a distancia».

El problema del entrelazamiento quedó relegado al ámbito puramente teórico hasta los años sesenta, cuando el físico John Bell ideó un método para comprobar si la realidad es verdaderamente tan fantasmagórica o si, por el contrario, podría existir una explicación más mundana para ese tipo de correlaciones cuánticas. Para ello, Bell examinó qué ocurriría si tras la mecánica cuántica se escondiese una teoría de «sentido común»; es decir, local (donde influencias físicas no pudiesen viajar nunca de manera instantánea), determinista (lo que permitiría predecir con certeza el resultado de los experimentos) y realista (que para un físico cuántico quiere decir que los sistemas poseen siempre propiedades bien definidas, aunque nadie las observe). A partir de ahí, calculó el nivel máximo de correlaciones que podrían darse entre dos partículas entrelazadas bajo tales suposiciones. Si un experimento violaba ese umbral, entonces al menos uno de tales supuestos (localidad, determinismo o realismo) debía ser falso.

Este tipo de «tests de Bell» se han venido realizando desde entonces —con algunas versiones particularmente robustas logradas durante los últimos años— y, en todos los casos, han confirmado la extraña naturaleza de la realidad que parece implicar la mecánica cuántica. «Los fundamentos de la teoría cuántica constituyen un campo que comenzó su marcha experimental con el teorema de Bell, que hoy tiene más de 50 años. La mayor parte de ese tiempo hemos estado rehaciendo esos experimentos y discutiendo sobre su significado», explica Steinberg. Por ello, «resulta excepcional que a alguien se le ocurra un test que vaya más allá del propuesto por Bell», añade el investigador en referencia al nuevo trabajo.

El objetivo de los investigadores era precisamente ese: deducir un nuevo teorema que permitiera establecer límites más estrictos sobre la naturaleza de la realidad, límites que el equipo ha bautizado con el nombre de «afabilidad local» (local friendliness).

Al igual que el caso analizado por Bell, los supuestos considerados por los investigadores también incluyen la localidad. A este han añadido dos más: prohíben explícitamente el superdeterminismo (es decir, dan por garantizado que los experimentadores son libres de elegir qué van a medir en cada momento, sin verse influidos por sucesos en el pasado o futuro lejanos; algo que también estaba implícito en el caso considerado en su día por Bell) y suponen que, cuando un observador efectúa una medida, el resultado es un suceso real y único en el mundo, no relativo a nadie ni a nada.

Para poner a prueba las implicaciones que se derivan de estos tres supuestos, los autores consideraron una astuta configuración en la que intervienen dos «superobservadores», Alicia y Benito (que desempeñan el papel de Wigner), los cuales observan a Carlos y Daniela (equivalentes a los amigos de Wigner).

En el experimento se preparan pares de fotones entrelazados de tal modo que las mediciones de sus polarizaciones arrojen siempre resultados opuestos. De cada par, un fotón se envía a Alicia y el otro a Benito, cada uno de los cuales tiene a su disposición un interferómetro. Carlos y Daniela no son amigos humanos, sino deflectores de luz colocados en la parte delantera de cada interferómetro. Cuando el fotón de Alicia llega al deflector, se desvía hacia la derecha o hacia la izquierda dependiendo de cuál sea su polarización. Esta acción es equivalente a que Carlos o Daniela, los «amigos» de Alicia y Benito, midan la polarización de sus respectivos fotones.

En este punto, tanto Alicia como Benito han de tomar una decisión: pueden medir inmediatamente el camino tomado por el fotón (lo que equivaldría a abrir la puerta del laboratorio y preguntarle al amigo qué fue lo que vio), o pueden permitir que el fotón continúe su camino y pase a través de un segundo deflector que recombina los caminos izquierdo y derecho (lo que equivaldría a mantener la puerta del laboratorio cerrada). A lo largo del experimento, Alicia y Benito eligen de manera independiente qué tipo de mediciones van a efectuar, toman notas de los resultados y al final los comparan, con lo que pueden extraer el grado de correlación entre ellos.

Tischler y sus colaboradores efectuaron 90.000 repeticiones del experimento. Como se esperaba, las correlaciones violaban la cota original de Bell. Pero, más importante aún, también violaban la cota impuesta por los supuestos de «afabilidad local». Sin embargo, los investigadores podían modificar la configuración del experimento para reducir el grado de entrelazamiento entre los fotones haciendo que uno de ellos diese un rodeo antes de pasar por el interferómetro. Al hacerlo, descubrieron un punto en el que las correlaciones seguían violando el límite de Bell, pero no el impuesto por las condiciones de afabilidad local. Este resultado es importante porque demuestra que ambas cotas no son equivalentes, y que la segunda es más fuerte que la primera, explica Tischler. «Si ves que se viola, estás aprendiendo más sobre la realidad», añade la investigadora.

En otras palabras, si aceptamos que los «amigos» pueden ser tratados como sistemas cuánticos, entonces hay que renunciar a al menos uno de los tres supuestos: o bien hay que sacrificar el principio de localidad, o bien hay que aceptar que las mediciones físicas no arrojan un resultado único sobre el que todos los observadores deban estar de acuerdo, o bien hay que abrir la puerta al superdeterminismo. Cada una de estas opciones encierra implicaciones profundas y, para algunos físicos, decididamente incómodas

Reconsiderar la realidad

«El trabajo constituye un importante estudio filosófico», apunta Michele Reilly, investigadora que no participó en el estudio y cofundadora de la compañía de computación cuántica Turing, con sede en Nueva York. La experta subraya que quienes investigan los fundamentos de la teoría cuántica siempre han tenido dificultades para encontrar montajes de laboratorio que permitan validar o refutar sus grandes ideas. «Me fascina ver un experimento que subyace a estudios filosóficos», añade. Por su parte, Steinberg considera que el experimento es «sumamente elegante» y elogia a los autores por haber abordado el espinoso papel del observador en la medición.

Aunque a estas alturas no sorprende a nadie que la mecánica cuántica nos obligue a abandonar algunas de nuestras intuiciones sobre la realidad física, «el paso adelante que implica este experimento es que nos permite estrechar el abanico de opciones» sobre cuáles de esas intuiciones habremos de descartar, apunta Wharton, quien tampoco participó en el estudio.

Aun así, el investigador señala que el nuevo trabajo tampoco quitará el sueño a los defensores de las distintas interpretaciones de la teoría cuántica. Los partidarios de la retrocasualidad, como él mismo, hace tiempo que hicieron las paces con el superdeterminismo: para ellos, no resulta tan impactante que las mediciones futuras afecten a resultados pasados. Los proponentes del bayesianismo cuántico o de la interpretación de los muchos mundos ya habían renunciado a que las mediciones generen resultados únicos sobre los cuales todos los observadores deban estar de acuerdo. La mecánica bohmiana y muchos modelos de colapso ya abandonaron el principio de localidad. Y más aún, los modelos de colapso implican que un amigo macroscópico real nunca podrá ser manipulado como un sistema cuántico.

Vaidman, por su parte, se muestra mucho menos entusiasmado con el nuevo trabajo y critica que se equipare el amigo de Wigner a un fotón. Los métodos usados en el estudio «son ridículos: el amigo tiene que ser macroscópico», zanja el investigador. Tim Maudlin, filósofo de la física de la Universidad de Nueva York que tampoco participó en el estudio, coincide: «Nadie piensa que un fotón sea un observador, a menos que aceptemos el pampsiquismo». Y dado que ningún físico cuestiona que un fotón pueda hallarse en una superposición de estados, Maudlin cree que el experimento flojea en ese sentido. «Descarta algunas cosas, sí, pero son cosas que nadie ha propuesto jamás», asegura.

Tischler acepta las críticas. «No queremos sobreinterpretar lo que hemos hecho», asegura. La clave en futuros experimentos consistirá en aumentar el tamaño del «amigo», añade Howard Wiseman, físico de la Universidad Griffith y uno de los autores del trabajo. El resultado más espectacular implicaría utilizar como «amigo» una inteligencia artificial encarnada en un ordenador cuántico. Algunos filósofos han aventurado que una máquina así podría tener experiencias similares a las humanas, una posición conocida como «hipótesis de la inteligencia artificial fuerte», señala Wiseman. Nadie sabe si dicha hipótesis es cierta, pero, en caso de existir, dicha inteligencia artificial general (IAG) sería microscópica. Por tanto, y al menos desde el punto de vista de los modelos de colapso espontáneo, no desencadenaría el colapso de la superposición debido a su tamaño. Si semejante experimento pudiera llevarse a cabo y no se violase la cota que impone la afabilidad local, ello implicaría que la consciencia de una IAG no podría encontrarse en una superposición de estados. Y a su vez, eso sugeriría que Wigner pudo tener razón cuando aventuró que es la consciencia lo que provoca el colapso. «No creo que vivamos lo suficiente para ver un experimento como ese», reconoce Wiseman, «pero sería revolucionario».

Reilly, sin embargo, critica que quienes esperan que una futura IAG les ayude a encontrar la descripción fundamental de la realidad están poniendo el carro delante del caballo. «No me parece inconcebible que los ordenadores cuánticos sean el cambio de paradigma que nos lleve hacia la IAG», dice. «Pero en última instancia necesitamos una teoría del todo para construir una IAG en un ordenador cuántico, punto final.»

Ese requisito puede descartar planes más ambiciosos. Pero, sin llegar hasta ahí, los autores también sugieren tests intermedios más modestos en los que intervengan sistemas de aprendizaje automático en el papel del amigo de Wigner. Ese enfoque es «interesante y provocador», afirma Steinberg. «Cada vez resulta más concebible que dispositivos computacionales mayores puedan ser objeto de mediciones cuánticas.»

Renato Renner, del Instituto Politécnico Zúrich, afirma algo todavía más radical: con independencia de los posibles experimentos futuros, sostiene, el nuevo teorema implica que la mecánica cuántica ha de ser reemplazada. En 2018, Renner y Daniela Frauchiger, por entonces también en Zurich, publicaron un experimento mental basado en el amigo de Wigner y lo utilizaron para plantear una nueva paradoja. Su configuración difiere de la del equipo de Brisbane, pero también emplea cuatro observadores cuyas mediciones pueden entrelazarse. Renner y Frauchiger calcularon que, si los observadores aplicaban las leyes cuánticas el uno al otro, podían acabar infiriendo resultados diferentes en el mismo experimento.

«El nuevo trabajo es una confirmación más de que tenemos un problema con la teoría cuántica actual», afirma Renner, quien tampoco participó en el estudio. Defiende que ninguna de las interpretaciones actuales puede abrirse paso a través de la llamada paradoja Frauchiger-Renner sin que sus partidarios admitan que les es indiferente que la teoría cuántica produzca resultados coherentes o no. Para Renner, la salida más aceptable la ofrecen los proponentes del bayesianismo cuántico, ya que, desde el principio, admiten que la teoría cuántica no puede usarse para para inferir lo que medirán otros observadores. «Sin embargo, me preocupa lo siguiente: si en el fondo todo se reduce a algo "personal" para mí, ¿cómo puedo decir algo que sea relevante para otros?», aduce el investigador. Actualmente Renner está trabajando en una teoría que proporcione un conjunto de reglas matemáticas que permitan que un observador averigüe lo que otro debería ver en un experimento cuántico.

Con todo, aquellos investigadores profundamente convencidos de que su interpretación favorita es la correcta creen que el estudio de Tischler tiene poco valor. «Si crees que la mecánica cuántica tiene defectos y necesita ser reemplazada, entonces este estudio sí es útil porque plantea nuevas restricciones», señala Vaidman. «Pero no creo que sea el caso; la interpretación de los muchos mundos lo explica todo.»

Por ahora, los físicos tendrán que continuar discutiendo sobre qué interpretación es la mejor o si se hace falta una teoría completamente nueva. «Es ahí donde lo dejamos a principios del siglo XX, y aún seguimos confundidos al respecto», afirma Reilly. «Pero estos estudios son exactamente lo que tenemos que hacer para explorar la cuestión.» 

Zeeya Merali

Nota: Zeeya Merali escribe con frecuencia para el Instituto de Cuestiones Fundamentales (FQXi), el cual ha financiado parcialmente la investigación reseñada en este artículo.

Referencia: «A strong no-go theorem on the Wigner’s friend paradox»; Kok-Wei Bong et al. en Nature Physics, 17 de agosto de 2020.

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