¿Einstein se equivocó? Físicos cuestionan la naturaleza de la realidad

Los físicos comprobaron en un ordenador cuántico de IBM un teorema que cuestiona la visión habitual de la realidad defendida por Albert Einstein. El experimento confirmó las predicciones de la mecánica cuántica, que son difíciles de conciliar con la idea de que las partículas poseen propiedades ocultas y que a los científicos solo les falta información para describirlas. Los resultados volvieron a hacer que los investigadores se preguntaran si existe una realidad objetiva en el sentido tradicional.

La pregunta suena casi infantil: ¿sigue siendo el mismo objeto cuando nadie lo mira? En la vida cotidiana la respuesta es obvia. Una esfera roja no cambia de color en una habitación oscura, y la Luna no desaparece cuando alguien se da la vuelta. Einstein consideraba que las leyes de la naturaleza debían funcionar según ese mismo principio. Cada partícula tiene propiedades físicas propias, independientemente de las observaciones y las mediciones. Sin embargo, la mecánica cuántica permite una imagen muy distinta.

A escala de átomos y partículas elementales, los físicos no siempre pueden predecir de antemano qué resultado dará una medición. En lugar de una respuesta precisa, la teoría ofrece un conjunto de probabilidades. Por ejemplo, un aparato detectará con cierta probabilidad una partícula en un lugar y con otra probabilidad en otro. Ese comportamiento lo describe la función de onda, una expresión matemática que permite calcular los posibles resultados de un experimento. Pero, ¿qué sucede con la propia partícula antes de la medición? Los físicos debaten esa cuestión desde hace casi un siglo.

Einstein supuso que la incertidumbre se debía a la falta de conocimiento. Imagínese un pronóstico del tiempo: la aplicación indica un 70% de probabilidad de lluvia, pero ya puede estar lloviendo afuera. Mientras no se abra la cortina, la persona simplemente no sabe lo que ocurre en la calle. Einstein esperaba que las probabilidades cuánticas funcionaran de forma parecida: la partícula tendría características reales que la teoría actual aún no puede describir por completo.

En 2012 Matthew Pusey, Jonathan Barrett y Terry Rudolph publicaron el teorema PBR, llamado así por las iniciales de sus apellidos. Los autores demostraron matemáticamente por qué esa explicación tan cómoda choca con un problema grave. Si se considera que las partículas tienen estados físicos propios y que sistemas preparados de forma independiente conservan su independencia, la función de onda no puede explicarse únicamente como una falta de información. De otro modo surgirían contradicciones con las predicciones de la mecánica cuántica.

La idea se entiende mejor con un juego de cartas sencillo. Imagine dos montones: en el primero están todas las cartas rojas y en el segundo solo los ases. El presentador saca cartas al azar y el jugador intenta determinar de qué montón provienen. Con un as rojo aparece el problema: la carta podría haber salido de cualquier montón. Con una sola carta no se puede reconstruir toda la información sobre la elección del presentador.

Los creadores del PBR propusieron una versión cuántica del juego. En lugar de cartas, los físicos preparan partículas en ciertos estados cuánticos. Medidas especiales permiten excluir opciones que el modelo de información incompleta consideraría posibles. Si se aceptan las condiciones del teorema, el sistema cuántico siempre permite descartar al menos una preparación. Por tanto, el estado cuántico contiene más información sobre la estructura física del mundo que una mera descripción de la ignorancia humana.

Ahora los investigadores pudieron comprobar la idea en un montaje mucho más complejo. Utilizaron un procesador de 156 qubits IBM Heron2 Marrakesh y verificaron las predicciones del PBR para grupos de dos y cinco qubits. El qubit es la unidad básica de un ordenador cuántico y, a diferencia del bit clásico, admite combinaciones de los estados cero y uno. Gracias a efectos cuánticos, los ingenieros pueden preparar qubits para mediciones cuyos resultados no pueden explicarse por un simple conjunto de respuestas predefinidas.

En la mayoría de las configuraciones comprobadas, los resultados de qubits vecinos contradecían las limitaciones impuestas por el modelo de información incompleta. No obstante, al aumentar la distancia entre qubits las comprobaciones exitosas disminuyeron. Los investigadores atribuyen ese empeoramiento a errores en las operaciones y a la decoherencia, por la cual el sistema cuántico pierde gradualmente sus propiedades especiales al interactuar con el entorno. El experimento ayudó a contrastar las predicciones del teorema y al mismo tiempo mostró cómo los físicos pueden evaluar la calidad de procesadores cuánticos.

Además, el teorema no se verifica por primera vez. Ya en 2012 se realizó un experimento con dos sistemas cuánticos y trabajos posteriores ampliaron las posibilidades de las pruebas. Por eso el nuevo resultado no supuso un refutación inesperada de Einstein. Los investigadores partían de la hipótesis de que la mecánica cuántica volvería a demostrarse correcta y querían saber hasta qué punto los ordenadores actuales reproducen efectos cuánticos delicados.

La discusión comenzó en 1935, cuando Einstein junto con Boris Podolsky y Nathan Rosen propusieron el famoso experimento mental. Los autores consideraron dos partículas cuyo comportamiento dependía de un estado cuántico compartido. Al medir una partícula, el observador podía obtener información sobre la otra, aunque existiera una gran distancia entre ellas. Einstein pensaba que las características físicas de la segunda partícula debían existir independientemente de la medición de la primera. De lo contrario había que aceptar un mecanismo demasiado extraño en la naturaleza.

En 1964 John Bell encontró una forma matemática de poner a prueba las suposiciones de Einstein. Más tarde se realizaron experimentos reales y se comprobó que el entrelazamiento cuántico conduce a resultados que no pueden explicarse simultáneamente por propiedades predeterminadas de las partículas y por la ausencia de influencias no locales. Al mismo tiempo, el entrelazamiento no permite transmitir mensajes ordinarios a mayor velocidad que la luz. Este hallazgo obligó a los científicos a revisar hasta qué punto son independientes los sistemas físicos separados.

El teorema PBR añadió otra limitación seria al debate. Los defensores de la realidad objetiva deben admitir que la función de onda refleja rasgos reales del mundo físico. La alternativa es renunciar a parte de las nociones habituales sobre estados objetivos de las partículas. Ninguna de las opciones ha logrado, por ahora, aceptación unánime.

Por ejemplo, la mecánica de Bohm admite que las partículas ocupan siempre posiciones determinadas, pero su movimiento lo guía una onda especial capaz de tener en cuenta lo que ocurre a grandes distancias. Quienes sostienen otras interpretaciones consideran la teoría cuántica sobre todo como un modo de describir el conocimiento y la experiencia del observador. En cualquier caso, renunciar a la idea tradicional de objetividad no significa que los objetos desaparezcan cuando la gente deja de mirarlos.

El propio Matthew Pusey reconoce que a los físicos aún les puede faltar una definición más flexible de la realidad. Quizá la exigencia habitual de que cada objeto tenga un único estado objetivo en todo momento limite en exceso nuestra comprensión de la naturaleza.

La mecánica cuántica ha predicho con éxito resultados experimentales durante ya un siglo, pero los físicos siguen debatiendo qué ocurre con una partícula antes de la medición. El teorema PBR cerró una de las vías para explicar las rarezas cuánticas como una mera falta de conocimiento, y los ordenadores modernos permitieron comprobar sus predicciones en sistemas más complejos. El enigma principal sigue abierto: si las nociones habituales de Einstein no describen por completo el mundo cuántico, ¿qué realidad esconden para nosotros las leyes de la naturaleza?