“EINSTEIN ataca la teoría cuántica”. Ése era el titular de The New York Times del 4 de mayo de 1935. El científico más famoso del mundo y dos colaboradores habían descubierto lo que consideraban un fallo fatal en el corazón de nuestra mayor teoría de la naturaleza. Habían descubierto que partículas separadas por kilómetros parecían poder interactuar instantáneamente entre sí. Albert Einstein lo llamó “espeluznante acción a distancia”.
Aunque había contribuido a sentar las bases de la teoría cuántica, Einstein sentía que debía faltarle algo. Esa espeluznante acción no le parecía correcta: debía de haber algo que no estuviéramos viendo y que pudiera explicarla. Ninguna idea tan extraña podía ser cierta, seguramente?
Ahora sabemos que lo es. Ésa es la lección de la mayor parte del siglo pasado de física, ya que la teoría cuántica, incluida la acción fantasmal a distancia, superó todas las pruebas experimentales que se le hicieron. En las escalas más pequeñas, la realidad es realmente tan extraña como sugiere nuestra mejor teoría del mundo subatómico.
Lo que no hemos averiguado es por qué la teoría cuántica es tan extraña. Los físicos como yo llevamos mucho tiempo examinando sus fundamentos en busca de respuestas. Recientemente, estos esfuerzos han dado lugar a una gran sorpresa: una nueva hipótesis llamada “teoría casi cuántica” que es aún más extraña que la original. Lo que realmente me entusiasma es que podríamos estar a punto de ponerla a prueba. Si se aprueba, los periódicos informarán de la sorpresa científica del siglo.
La teoría cuántica se ocupa del mundo subatómico de las partículas y describe su comportamiento con una precisión sin parangón. A menudo se habla de ella como la teoría científica más a prueba de balas. Pero eso no hace que sus ideas sean más fáciles de digerir. Entre sus extrañas facetas está la de que las partículas subatómicas pueden existir en una nube de estados posibles llamada superposición antes de que se midan -cuya naturaleza contraintuitiva queda plasmada de forma célebre en el gato de Schrödinger, el experimento mental sobre un felino que está vivo y muerto a la vez. También está el hecho de que la luz, por ejemplo, puede comportarse como partícula y como onda.
Pero es la espeluznante acción a distancia de Einstein, más propiamente conocida como no-localidad, la que más nos desconcierta. Toma dos partículas, preparadas mediante un procedimiento especial conocido como entrelazamiento cuántico, y envíalas muy lejos. Si observas una, podrás discernir inmediatamente algunas de las propiedades cuánticas de la otra. Parece que se influyen mutuamente de forma instantánea a grandes distancias, aunque no se produzca ninguna influencia. “Espeluznante” es realmente la palabra.
La prueba de Bell
Para comprender mejor la no-localidad, es útil tener en cuenta una anécdota sobre calcetines extraños contada por primera vez por el físico irlandés John Bell, que hizo avanzar enormemente nuestra comprensión del mundo cuántico. Se inspiró en Reinhold Bertlmann, que trabajó con Bell a finales de la década de 1970. Bell se dio cuenta de que su colega tenía la costumbre de llevar un calcetín de distinto color en cada pie. Esto significaba que en cuanto veías que uno de los calcetines de Bertlmann era rosa, por ejemplo, sabías que el otro no sería rosa.
Bell pensó que eso sonaba bien.
Bell pensó que aquello sonaba sospechosamente parecido al enredo. Le hizo preguntarse si el enredo era tan extraño como parecía. La anécdota de los calcetines puede explicarse fácilmente por las elecciones de Bertlmann al vestirse. ¿Podría la correspondencia entre las partículas entrelazadas estar igualmente predeterminada, y explicarse así por la física cotidiana no cuántica?
La genialidad de Bell consistió en responder a esta pregunta con lo que se conoce como la prueba de Bell. Consiste en entrelazar dos partículas y enviarlas muy lejos, a laboratorios donde puedan medirse de dos formas distintas. Cada laboratorio realiza una medición, sin saber cuál ha elegido el otro laboratorio, y la utiliza para predecir cosas sobre el resultado de la medición del otro laboratorio. Piénsalo como la versión cuántica de mirar el calcetín rosa y predecir que el otro calcetín no es rosa. Hacen esto muchas veces y cuentan el número de predicciones correctas. Bell demostró que si el entrelazamiento puede explicarse mediante la física cotidiana, no cuántica, obtendrías la respuesta correcta en una prueba de Bell no más del 75% de las veces. Sin embargo, cuando la prueba se realiza con partículas cuánticas entrelazadas, se obtiene la respuesta correcta el 85% de las veces.
Prueba de Bell.
La prueba de Bell, por tanto, era una forma de cuantificar lo extrañas que son las correlaciones entre partículas cuánticas, y demostró que realmente superan todo lo que podemos explicar utilizando la física clásica. Esto es lo que realmente queremos decir cuando hablamos de “no localidad”.
Leer sobre esto fue lo primero que me hizo interesarme por la física. El hecho de poder hacer preguntas tan profundas sobre la realidad y obtener una respuesta clara me fascinó. Ahora, la prueba de Bell está desempeñando un papel clave en el desarrollo de un conjunto de ideas aún más extrañas que la teoría cuántica.
Estas ideas tuvieron su génesis hace 30 años, cuando los investigadores se preguntaron si existía un principio único en el corazón de la teoría cuántica. Para ver por qué es importante, compara la teoría cuántica con la teoría de la relatividad especial de Einstein. Ésta se construyó principalmente a partir del principio básico de que nada puede viajar más rápido que la luz. Si la teoría cuántica puede derivarse de forma similar a partir de un principio, una especie de esencia de la cuántica, no sólo sería muy elegante, sino que también podría mostrarnos de dónde surge la rareza en última instancia.
En 1994, Sandu Popescu, de la Universidad de Bristol (Reino Unido), y Daniel Rohrlich, de la Universidad Ben-Gurion del Néguev (Israel), reflexionaban sobre esta cuestión. Se les ocurrió una teoría potencial de la física que formalizaba matemáticamente sólo dos principios sencillos. Primero, ninguna señal puede ir más rápido que la velocidad de la luz. Segundo, la no-localidad se aplica a la realidad. Todo parecía rutinario. Pero se llevaron una sorpresa.
Resultó que su idea, conocida como cajas PR, permitía correlaciones mucho más fuertes de las que observamos. Una prueba de Bell daría la respuesta correcta el 100% de las veces. Parece obviamente erróneo, pero las cajas PR partían de supuestos razonables, así que ¿por qué se equivocó? “Fue una gran sorpresa”, afirma Mirjam Weilenmann, del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica de Austria.
Este resultado fue en gran parte ignorado por los científicos.
Este resultado pasó desapercibido durante un tiempo. “Su trabajo apareció en una revista un tanto oscura”, afirma Matty Hoban de Quantinuum, una empresa de informática cuántica de Oxford (Reino Unido). Pero hace poco más de una década, algunos físicos empezaron a investigar más a fondo.
Uno de ellos fue Miguel Navascués, también en el Instituto de Viena. En 2009, él también decidió reformular las reglas de la teoría cuántica, esta vez partiendo del principio de que nada viaja más rápido que la luz y de un nuevo principio llamado localidad macroscópica. Este último dice que, a medida que pasamos de los objetos del tamaño de una partícula al mundo macroscópico más grande, emergen las reglas de la física clásica y desaparece la no localidad. Una prueba de Bell bajo estos supuestos mostró que las respuestas correctas para las partículas entrelazadas deben ocurrir menos del 100% de las veces. Sugirió que las cajas de RP se habían descarrilado porque dejaban de lado el principio de localidad macroscópica. Ahora se tenía la sensación de que este tipo de investigación podría acercarnos a encontrar la esencia de la teoría cuántica.
Ese mismo año, un equipo dirigido por Marcin Pawłowski en la Universidad de Gdansk (Polonia) volvió a intentar el truco de la reformulación, esta vez partiendo de un único principio llamado causalidad de la información. Éste dice que cuando dos personas intercambian información, una no puede recibir más de lo que la otra ha enviado. Esto resultó decisivo. Una prueba de Bell realizada según la formulación resultante produciría las respuestas correctas el 85% de las veces, el nivel máximo de precisión observado en experimentos reales.
Acción fantasmal a distancia
Esto causó un gran revuelo. “La causalidad de la información fue un éxito enorme, fue asombroso”, dice Navascués. Algunos pensaron que por fin habíamos dado con la esencia de la teoría cuántica. “La gente decía que quizá este principio encapsulaba toda la mecánica cuántica”, dice Navascués. Pero él no estaba tan seguro. No creía que los autores hubieran hecho lo suficiente para demostrar que su marco podía describir todos los matices de la física cuántica, sobre todo los otros fenómenos extraños más allá de la no localidad.
Así que Navascués, Hoban y sus colaboradores presentaron otra propuesta en 2015. En ella falta parte de la información contenida en la teoría cuántica propiamente dicha, por lo que ha pasado a conocerse como casi teoría cuántica. Pero parece que lleva incorporado todo lo que sabemos que es cierto sobre la teoría cuántica. Es más, cuando se calcula el resultado que se obtendría de una prueba de Bell con la teoría casi cuántica, éste vuelve a ser de alrededor del 85%. Navascués y sus colaboradores habían logrado su objetivo de mostrar los defectos de la causalidad de la información porque ese principio no reproducía de forma única la teoría cuántica.
Puede parecer decepcionante que se haya descubierto que la causalidad de la información es deficiente. Pero si lo piensas detenidamente, hay una alternativa apasionante: ¿y si la teoría casi cuántica fuera realmente la verdadera descripción de la realidad?
En casi todas las situaciones, hace las mismas predicciones que la teoría cuántica normal. Sin embargo, hay algunos casos inusuales en los que, en un giro sorprendente, predice que habría correlaciones entre partículas más fuertes de lo que predice la teoría cuántica normal. Hasta ahora no se ha investigado experimentalmente ninguna de estas situaciones. Así que eso nos deja en una posición histórica. Tenemos una teoría de la realidad potencialmente viable que no podemos descartar, y sugiere que, en algunas circunstancias, la teoría cuántica no es lo bastante extraña para hacer justicia a la realidad.
Por si esto no fuera suficientemente emocionante, hay otra razón para entusiasmarse con la teoría casi cuántica. Una de las mayores misiones de la física es encontrar una descripción más unificada de la realidad. Por el momento, nuestras teorías de la gravedad y del mundo cuántico son bestias separadas, y una forma prometedora de unirlas sería encontrar una versión cuántica de la relatividad general. Resulta que la teoría casi cuántica tiene una estructura matemática similar a la de una candidata a teoría de la gravedad cuántica, conocida como formulación de historias consistentes de la gravedad cuántica. Los bloques de construcción de esta hipótesis, propuesta por el premio Nobel Murray Gell-Mann, corresponden a secuencias de interacciones de partículas. La idea no es actualmente popular y todo esto podría ser una coincidencia. O podría estar diciéndonos algo. “Me pareció una conexión muy interesante”, dice Hoban.
Enredo cuántico
Es vital que averigüemos si la teoría casi cuántica se sostiene. Pero no será fácil. Predice que, en determinadas situaciones, las partículas pueden tener correlaciones más fuertes de las que hemos observado nunca. Pero, por definición, los sistemas de partículas implicados serán más difíciles de controlar y de trabajar con ellos. Una forma de ponerlo a prueba podría ser realizar una versión del test de Bell con tres partículas en lugar de dos, dice Ana Belén Sainz, también de la Universidad de Gdansk. “Me encantaría ver estos experimentos”, afirma.
El único problema es que aún no sabemos qué tipo de partículas serían las mejores para estas pruebas. No es probable que las conocidas, como los electrones o los fotones, se escondan mucho. Pero Navascués dice que hay sistemas de partículas cuánticas que siempre nos ha costado controlar: partículas como los kaones, que están compuestas por quarks agrupados de una forma inusual. Cree que podrían ocultar la física poscuántica.
Otro lugar donde buscar esto es dentro de ordenadores cuánticos, dice Hoban. Dentro de estas máquinas, muchas partículas interactúan de formas que no siempre podemos comprender. “Me encantaría que empezáramos a construir estos ordenadores cuánticos y, de repente, no se comportaran como deberían”, dice Hoban. Esto podría ser una señal de la teoría casi cuántica”. Navascués está de acuerdo en que observar sistemas en los que interactúan un gran número de partículas podría ser un terreno fértil. Está hablando con un grupo de experimentalistas de China para explorar cómo podrían diseñar sistemas como éste y ponerlos a prueba.
Si la teoría casi cuántica resulta ser cierta, tendrá importantes implicaciones. La capacidad de entrelazar partículas sustenta la informática cuántica y la criptografía cuántica. La informática cuántica promete una revolución al proporcionar una forma totalmente nueva de hacer cálculos. La criptografía cuántica ofrece una forma fiable de asegurar las comunicaciones y podría constituir la base de una Internet cuántica. Si la teoría casi cuántica es cierta y podemos aprovecharla, podría potenciar ambas tecnologías.
Incluso si todo esto resulta ser humo y espejos, la búsqueda de nuevos principios de la física es valiosa. Cuanto más aprendamos sobre la teoría cuántica, más posibilidades tendremos de encontrar una forma de conciliarla con la relatividad general, la teoría de la gravedad de Einstein. “La teoría cuántica ya es superantigua en comparación con otras teorías, pero hay tantas vías nuevas que la gente explora todo el tiempo”, dice Weilenmann.
Hablando de Einstein, tienes que dedicarle un pensamiento en todo esto. Esperaba fervientemente que la espeluznante acción a distancia fuera un fallo que acabara demostrando que la mecánica cuántica estaba equivocada. Poco se imaginaba que 90 años más tarde podríamos estar a punto de encontrar una teoría de la física aún más espeluznante.
Ciarán Gilligan-Lee es un físico afiliado al University College de Londres y a Spotify, donde dirige un laboratorio de investigación sobre IA. Síguele en Twitter en @quantumciaran
Ciarán Gilligan-Lee.
