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  • 09/11/2016

Ciencia ciudadana

Un experimento mundial usará la impredecibilidad humana para poner a prueba la mecánica cuántica

El proyecto The BIG Bell Test busca al menos 30.000 voluntarios para el 30 de noviembre.

ICFO

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Varios laboratorios de todo el mundo han creado un videojuego para usar en experimentos de física cuántica los bits aleatorios generados por humanos. [BIG Bell Test/ICFO]

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El próximo 30 de noviembre, varios laboratorios de todo el mundo intentarán por primera vez aprovechar en tiempo real la aleatoriedad generada por seres humanos para llevar a cabo un experimento sobre los fundamentos de la mecánica cuántica. En concreto, los diferentes centros de investigación llevarán a cabo distintas variantes del célebre test de Bell, empleando como bits de entrada (las cantidades que determinarán qué mediciones deberán efectuarse en cada momento) los ceros y unos tecleados desde sus casas por miles de voluntarios. La iniciativa, bautizada como The BIG Bell Test y coordinada por el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) de Barcelona, busca dar una vuelta de tuerca más a los experimentos que, desde hace más de 30 años, vienen realizándose para poner a prueba las interpretaciones de la mecánica cuántica basadas en variables ocultas.

La teoría cuántica establece que un sistema físico no tiene propiedades bien definidas hasta que estas no se miden en un experimento. Hasta qué punto esta idea choca con nuestra noción clásica de realidad queda patente en el famoso experimento mental de gato de Schrödinger, en el que el animal permanece en un estado indefinido, ni vivo ni muerto, hasta que el experimentador abre la caja para observarlo. Sin embargo, y a pesar del rotundo éxito predictivo de la teoría cuántica, esa interpretación nunca fue aceptada por físicos como Einstein, quien defendió que el carácter fantasmagórico de los sistemas cuánticos no reflejaba tanto una cualidad intrínseca del mundo físico como una insuficiencia de la teoría a la hora de describir la realidad. A su juicio, la mecánica cuántica estaría obviando toda una serie de «variables ocultas», las cuales sí darían cuenta del verdadero estado de un sistema físico en todo momento.

Ese debate sobre la interpretación de la teoría cuántica vivió un punto de inflexión en 1964. Aquel año, John Bell demostró que, bajo ciertas condiciones experimentales, las predicciones de la mecánica cuántica resultaban incompatibles con las de cualquier teoría basada en los postulados del «realismo local»; es decir, en la hipótesis de que todo sistema físico tiene siempre propiedades bien definidas (con independencia de que alguien las observe o no), complementada con el principio de localidad (la imposibilidad de transmitir información a distancia de manera instantánea). En otras palabras: Bell demostró que, si se llevaba a cabo el experimento adecuado —cierta versión de un experimento mental concebido por Einstein, Podolsky y Rosen en 1935—, los datos empíricos revelarían a qué noción de realidad física se acoge la naturaleza. Los primeros tests de Bell fueron efectuados en los años setenta y ochenta del siglo pasado. Desde entonces, los resultados han confirmado una y otra vez las predicciones de la mecánica cuántica y refutado el realismo local.

Con todo, varios investigadores han sugerido que las teorías realistas locales aún tendrían una posibilidad de salvarse debido a ciertas imperfecciones, o «lagunas», presentes en las distintas implementaciones prácticas del test de Bell. En este sentido, The BIG Bell Test complementará los experimentos previos gracias a la introducción de un elemento nunca usado hasta ahora: el carácter imprevisible de las decisiones humanas. «Realizar estos experimentos es importante por completitud», señala Carlos Abellán, investigador del ICFO y uno de los principales impulsores del proyecto.

Esperando órdenes: Trampa cuántica del laboratorio de Hugues de Riedmatten, del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) de Barcelona, uno de los laboratorios que participará en el experimento del 30 de noviembre.

En un test de Bell típico se genera un par de partículas entrelazadas, se envía cada una de ellas a un aparato de medida y, una vez allí, se elige qué propiedad de la partícula se desea medir (la posición o la velocidad, pongamos por caso). El teorema de Bell hace referencia a cierta propiedad estadística que emerge en los datos cuando dicho experimento se repite muchas veces y cuando, en cada aparato, las medidas se eligen de forma aleatoria e independiente. Hasta ahora, las decisiones asociadas a las medidas se tomaban con medios técnicos, como generadores automáticos de números aleatorios. Esa es la parte que el BIG Bell Test intentará reemplazar por personas. 

El año pasado, el ICFO se encargó de producir los números aleatorios empleados en tres experimentos que, por primera vez, consiguieron evitar todas lagunas experimentales de los tests de Bell previos. «Al entender bien cuáles eran los requisitos de estos experimentos —un tema algo sutil— nos dimos cuenta de que una persona puede cumplirlos muy bien», explica Morgan Mitchell, investigador principal del proyecto. «Usar humanos tiene otras ventajas: permite cambiar las asunciones hechas hasta ahora en los tests de Bell», apunta Abellán.

Participación en línea

A fin de reclutar voluntarios para el experimento, los organizadores han puesto en marcha una página web con un videojuego en el que, para superar los distintos niveles, los participantes deben teclear secuencias de ceros y unos tan aleatorias como sea posible. Un algoritmo de aprendizaje automático intenta adivinar los bits que va generando el jugador y, en función de su grado de impredecibilidad, le asigna una puntuación y le permite (o no) pasar a la siguiente pantalla. Para acceder al videojuego es necesario registrarse previamente con un nombre de usuario, lo que llegado el momento permitirá a los investigadores archivar y usar los bits generados por el jugador. Además, los usuarios registrados pueden crear grupos y participar en otros, tomar parte en «eventos» (sesiones de juego simultáneas entre varios jugadores) y acceder a distintos ránkings de puntuaciones.

Aunque el experimento en tiempo real se llevará a cabo el 30 de noviembre, la interfaz con el videojuego ya se encuentra operativa. Aparte de servir de entrenamiento a los participantes, los bits generados durante las semanas previas podrán usarse más tarde como datos de archivo. El día del experimento, el videojuego informará a los participantes que estén jugando en línea sobre el destino de sus bits: a qué laboratorio han ido a parar y qué acción han desencadenado (mover un espejo, orientar un polarizador, etcétera).

Para lograr resultados fiables, los investigadores necesitan un mínimo de 30.000 voluntarios que estén dispuestos a jugar el 30 de noviembre. Dado que los experimentos se llevarán a cabo en laboratorios de todo el mundo, desde Australia a Chile pasando por China y varios países europeos, cualquier hora del día es buena para contribuir.

Desde Investigación y Ciencia apoyamos el proyecto y animamos a todos nuestros lectores a participar en él. Aquellos que lo deseen pueden unirse al grupo Revista IyC; para ello, es necesario registrarse y teclear el nombre del grupo (respetando mayúsculas y minúsculas) en el campo correspondiente del apartado Cuenta.

Selección de artículos

A partir de hoy y hasta el 1 de diciembre de 2016, Investigación y Ciencia ofrece gratuitamente los siguientes artículos (en PDF) como material educativo sobre el test de Bell y su historia, el realismo local y el papel de la aleatoriedad en física cuántica:

«Teoría cuántica y realidad», por Bernard D'Espagnat; IyC, enero de 1980. Artículo publicado con ocasión de los primeros experimentos que consiguieron llevar a la práctica el test de Bell. Incluye una extensa explicación del teorema de Bell y de los postulados del realismo local.

«Realidad del mundo cuántico», por Abner Shimony; IyC, marzo de 1988. Sobre algunas implementaciones pioneras del test de Bell.

«La realidad de los cuantos», por Anton Zeilinger; IyC, junio de 2009. Repaso de algunos avances logrados en los últimos años en información cuántica y su relación con los fundamentos de la teoría cuántica.

«La certeza del azar cuántico», por Antonio Acín, Serge Massar y Stefano Pironio; IyC, enero de 2012. Sobre un experimento reciente para certificar la aleatoriedad intrínseca de los procesos cuánticos.

«Aleatoriedad y mecánica cuántica», por Albert Solé y Carl Hoefer; IyC, septiembre de 2015. Crónica de un congreso reciente sobre el concepto de aleatoriedad y su importancia en física, matemáticas, computación y filosofía.

«Un test de Bell sin escapatorias», por Carlos Abellán, Waldimar Amaya y Morgan Mitchell; IyC, enero de 2016. Sobre las primeras impementaciones del test de Bell sin lagunas experimentales.

Más información en thebigbelltest.org

—IyC

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