Los procesos cuánticos no obedecen a la ley de causa y efecto

Científicos de la Universidad de Viena han comprobado experimentalmente por primera vez que un proceso cuántico no posee un orden causal. Los científicos consideran que trabajar con este “desorden causal” les permitirá avanzar en ámbitos como la computación y las comunicaciones.

Que un proceso cuántico no posea un orden causal significa que en un estado de superposición,  los fotones o partículas de luz no obedecen a la ley de causa y efecto, según la cual los acontecimientos ocurren uno después del otro.

La superposición cuántica es un principio fundamental de la mecánica cuántica que sostiene que un sistema físico, por ejemplo un fotón, existe simultáneamente en varios estados a la vez (onda y partícula), si bien cuando se le intenta medir, pierde esa condición múltiple y se concreta en uno de sus estados posibles.

La superposición implica que los fotones pueden ser todas las cosas —en todos los estados y lugares— al mismo tiempo y que no obedecen las leyes de causa y efecto. Lo que han hecho los científicos de la Universidad de Viena es observar este “desorden causal” en un proceso cuántico y demostrar así que un proceso cuántico no posee un orden causal.

Para conseguirlo han cuantificado experimentalmente la superposición de estados. El ejemplo más emblemático de la superposición de estados fue ideado por el físico Erwin Schrödinger en 1935.

El gato de Schrödinger

Imaginó un gato encerrado en una caja que contiene dos recipientes, uno con comida y otro con veneno. Pasado un tiempo, ocurrirá que el gato optará, bien por comerse la comida o por probar el veneno. Dependiendo de su comportamiento, estará vivo o muerto.

Según el mundo cuántico, el gato está en realidad vivo y muerto a la vez, en una superposición de estados, hasta que un observador (el científico), abre la caja para ver lo que ha pasado y se concreta una de las opciones, dependiendo en gran parte del mismo observador.

Otra consecuencia de la superposición cuántica es que el orden de los acontecimientos está a su vez indefinido. Si volvemos al ejemplo del gato de Schrödinger, es como si el gato pudiera estar muerto (envenenado) antes de probar el veneno.

Y aunque Schrödinger ya señaló en su día que un gato, en realidad, no puede estar vivo o muerto a la vez, independientemente de que haya o no probado el veneno, los investigadores austriacos han demostrado por primera vez que en el mundo cuántico que esa superposición es real.

Cuidado al abrir la caja

El problema de la superposición es que al intentar «verla» o medirla, deja de existir, esto es, una partícula cuántica que era todas las cosas al mismo tiempo, de repente asume un estado definido. En resumen, si se abre la caja de Schrödinger se destruye el experimento.

Así, aquellos que pretenden demostrar la ausencia de orden causal deben deducirlo a partir de un algoritmo en lugar de por mediciones directas. Pero el equipo austriaco ha descubierto un modo indirecto de comprobarlo experimentalmente.

Se han valido de un concepto matemático denominado «testigo causal», diseñado por el equipo de Časlav Brukner, para demostrar por vez primera que un proceso cuántico no posee un orden causal. Formalmente, un testigo causal es una herramienta matemática para determinar si es posible describir un experimento sin tener que recurrir a estados  superpuestos.

En su experimento, los científicos se valieron de un dispositivo óptico para dividir un haz de luz en dos y se propusieron barajar el orden de los distintos caminos tomados. Para no perturbar este frágil proceso, crearon otro sistema cuántico encargado de «ofrecer una señal» al pasar la luz. El testigo causal midió este sistema cuántico adicional sin perturbar lo más mínimo la superposición.

El testigo causal confirmó que los fotones habían pasado por ambas operaciones cuánticas en dos órdenes secuenciales al mismo tiempo. Dicho de otro modo, pudieron «ver» al gato de Schrödinger vivir y morir a la vez y medir al mismo tiempo el grado de superposición de las dos situaciones.

 «Nuestra demostración experimental es un progreso importante en este ámbito, pues demuestra una forma de extraer información de estos procesos sin perturbar su naturaleza cuántica», explicó Giulia Rubino, autora principal del estudio, en un comunicado de la Universidad de Viena.

Aunque anteriormente se han realizado estudios sobre la función de las relaciones causales en el mundo cuántico,  el equipo del proyecto austriaco logró transportar la teoría al laboratorio. El nuevo objetivo del equipo es crear superposiciones de procesos más complejos para desentrañar aún más las relaciones causales.

Referencia

Experimental verification of an indefinite causal order. Science Advances  24 Mar 2017: Vol. 3, no. 3, e1602589. DOI: 10.1126/sciadv.1602589