Es la pregunta central de la mecánica cuántica, y nadie sabe la respuesta: ¿Qué ocurre realmente en una superposición -la peculiar circunstancia en la que las partículas parecen estar en dos o más lugares o estados a la vez-? En 2018, un equipo de investigadores de Israel y Japón propuso un experimento que podría permitirnos por fin decir algo seguro sobre la naturaleza de este desconcertante fenómeno.
Su experimento fue diseñado para permitir a los científicos echar un vistazo furtivo al lugar en el que reside realmente un objeto -en este caso una partícula de luz, llamada fotón- cuando se coloca en una superposición. Y los investigadores predicen que la respuesta será aún más extraña e impactante que «dos lugares a la vez»
El ejemplo clásico de una superposición consiste en disparar fotones en dos rendijas paralelas de una barrera. Un aspecto fundamental de la mecánica cuántica es que las partículas diminutas pueden comportarse como ondas, de modo que las que pasan por una rendija «interfieren» con las que pasan por la otra, sus ondulaciones se potencian o se anulan entre sí para crear un patrón característico en la pantalla de un detector. Lo extraño, sin embargo, es que esta interferencia se produce incluso si sólo se dispara una partícula a la vez. La partícula parece pasar de algún modo por ambas rendijas a la vez, interfiriendo consigo misma. Es una superposición.
Y la cosa se pone más rara: La medición de la rendija por la que pasa la partícula indicará invariablemente que sólo pasa por una, pero entonces la interferencia ondulatoria (la «cuántica», si se quiere) desaparece. El propio acto de medición parece «colapsar» la superposición. «Sabemos que algo raro ocurre en una superposición», dice el físico Avshalom Elitzur, del Instituto Israelí de Investigación Avanzada. «Pero no se puede medir. Esto es lo que hace que la mecánica cuántica sea tan diabólica».
Durante décadas los investigadores se han estancado en este aparente callejón sin salida. No pueden decir exactamente qué es una superposición sin mirarla, pero si intentan mirarla, desaparece. Una posible solución -desarrollada por el antiguo mentor de Elitzur, el físico israelí Yakir Aharonov, ahora en la Universidad de Chapman, y sus colaboradores- sugiere una forma de deducir algo sobre las partículas cuánticas antes de medirlas. El enfoque de Aharonov se denomina formalismo de dos estados-vectores (TSVF) de la mecánica cuántica y postula que los sucesos cuánticos están determinados en cierto modo por estados cuánticos no sólo en el pasado, sino también en el futuro. Es decir, el TSVF supone que la mecánica cuántica funciona de la misma manera tanto hacia adelante como hacia atrás en el tiempo. Desde esta perspectiva, puede parecer que las causas se propagan hacia atrás en el tiempo, ocurriendo después de sus efectos: un fenómeno llamado retrocausación.
Pero no es necesario tomar esta extraña noción literalmente. Más bien, en la TSVF, se puede obtener un conocimiento retrospectivo de lo que ha ocurrido en un sistema cuántico seleccionando el resultado: En lugar de limitarse a medir dónde acaba una partícula, un investigador elige un lugar concreto en el que buscarla. Esto se denomina postselección, y proporciona más información de la que podría proporcionar cualquier vistazo incondicional a los resultados. Esto se debe a que el estado de la partícula en cualquier instante se evalúa retrospectivamente a la luz de toda su historia, hasta la medición. Lo extraño es que parece que el investigador -simplemente eligiendo buscar un resultado concreto- hace que ese resultado se produzca. Pero esto es un poco como concluir que si uno enciende la televisión cuando está programado su programa favorito, su acción provoca que ese programa se emita en ese mismo momento. «En general se acepta que la TSVF es matemáticamente equivalente a la mecánica cuántica estándar», dice David Wallace, filósofo de la ciencia de la Universidad del Sur de California, especializado en interpretaciones de la mecánica cuántica. «Pero lleva a ver ciertas cosas que uno no habría visto de otro modo».
Tomemos, por ejemplo, una versión del experimento de la doble rendija ideada por Aharonov y su colaborador Lev Vaidman, de la Universidad de Tel Aviv, en 2003, que interpretaron con la TSVF. La pareja describió (pero no construyó) un sistema óptico en el que un solo fotón actúa como un «obturador» que cierra una rendija haciendo que otro fotón «sonda» que se acerca a la rendija se refleje por donde ha venido. Aplicando la postselección a las mediciones del fotón sonda, Aharonov y Vaidman demostraron que se podía discernir un fotón obturador en una superposición que cerrara las dos (o incluso muchas) rendijas simultáneamente. En otras palabras, este experimento mental permitiría, en teoría, decir con seguridad que el fotón del obturador está «aquí» y «allí» a la vez. Aunque esta situación parece paradójica desde nuestra experiencia cotidiana, es un aspecto bien estudiado de las llamadas propiedades no locales de las partículas cuánticas, en las que toda la noción de una ubicación bien definida en el espacio se disuelve.
En 2016 los físicos Ryo Okamoto y Shigeki Takeuchi, de la Universidad de Kioto, verificaron experimentalmente las predicciones de Aharonov y Vaidman utilizando un circuito de transporte de luz en el que el fotón del obturador se crea utilizando un router cuántico, un dispositivo que permite que un fotón controle la ruta que toma otro. «Este fue un experimento pionero que permitió inferir la posición simultánea de una partícula en dos lugares», dice el colega de Elitzur, Eliahu Cohen, de la Universidad de Ottawa, en Ontario.
Ahora Elitzur y Cohen se han asociado con Okamoto y Takeuchi para urdir un experimento aún más alucinante. Creen que permitirá a los investigadores decir con certeza algo sobre la ubicación de una partícula en una superposición en una serie de puntos diferentes en el tiempo, antes de que se haya realizado cualquier medición real.
Esta vez la ruta del fotón de la sonda se dividiría en tres por espejos parciales. A lo largo de cada uno de esos recorridos puede interactuar con un fotón del obturador en una superposición. Se puede considerar que estas interacciones tienen lugar dentro de cajas etiquetadas como A, B y C, una de las cuales está situada a lo largo de cada una de las tres rutas posibles del fotón. Al observar la autointerferencia del fotón de la sonda, se puede concluir retrospectivamente con certeza que la partícula del obturador estuvo en una caja determinada en un momento específico.
El experimento está diseñado de manera que el fotón de la sonda sólo puede mostrar interferencia si interactuó con el fotón del obturador en una secuencia particular de lugares y tiempos: a saber, si el fotón del obturador estuvo en ambas cajas A y C en algún momento (t1), luego en un momento posterior (t2) sólo en C, y en un momento aún posterior (t3) tanto en B como en C. Por lo tanto, la interferencia en el fotón de la sonda sería una señal definitiva de que el fotón del obturador hizo esta extraña secuencia, que desafía la lógica, de apariciones inconexas entre las cajas en diferentes momentos, una idea que Elitzur, Cohen y Aharonov propusieron como una posibilidad en 2017 para una sola partícula repartida en tres cajas. «Me gusta la forma en que este artículo enmarca las preguntas sobre lo que está sucediendo en términos de historias enteras en lugar de estados instantáneos», dice el físico Ken Wharton de la Universidad Estatal de San José, que no está involucrado en el nuevo proyecto. «Hablar de ‘estados’ es un viejo prejuicio omnipresente, mientras que las historias completas suelen ser mucho más ricas e interesantes»
Esa riqueza, argumentan Elitzur y sus colegas, es a la que da acceso el TSVF. La aparente desaparición de partículas en un lugar en un momento dado -y su reaparición en otros momentos y lugares- sugiere una visión extraordinaria de los procesos subyacentes que intervienen en la existencia no local de las partículas cuánticas. A través de la lente de la TSVF, dice Elitzur, esta existencia parpadeante y siempre cambiante puede entenderse como una serie de acontecimientos en los que la presencia de una partícula en un lugar es «cancelada» por su propia «contrapartida» en el mismo lugar. Lo compara con la idea introducida por el físico británico Paul Dirac en la década de 1920, que sostenía que las partículas poseen antipartículas y que, si se juntan, una partícula y una antipartícula pueden aniquilarse mutuamente. Al principio esta noción parecía sólo una forma de hablar, pero pronto condujo al descubrimiento de la antimateria. La desaparición de las partículas cuánticas no es una «aniquilación» en este mismo sentido, pero es algo análogo: estas putativas contrapartes, postula Elitzur, deberían poseer energía negativa y masa negativa, lo que les permitiría anular a sus contrapartes.
Así que, aunque la visión tradicional de «dos lugares a la vez» de la superposición pueda parecer bastante extraña, «es posible que una superposición sea una colección de estados aún más locos», dice Elitzur. «La mecánica cuántica sólo te habla de su media». La postselección permite entonces aislar e inspeccionar sólo algunos de esos estados con mayor resolución, sugiere. Esta interpretación del comportamiento cuántico sería, dice, «revolucionaria», porque implicaría una colección hasta ahora desconocida de estados reales (pero muy extraños) que subyacen a los fenómenos cuánticos contraintuitivos.
Okamoto y sus colegas de Kioto ya han llevado a cabo el experimento propuesto utilizando fotones, pero todavía están analizando los resultados. De todos modos, dice Cohen, «los resultados preliminares concuerdan bien con la teoría». Dice que los investigadores japoneses están ahora haciendo mejoras en el montaje para reducir las barras de error.
Por ahora algunos observadores externos no están precisamente esperando con la respiración contenida. «El experimento está destinado a funcionar», dice Wharton, pero añade que «no convencerá a nadie de nada, ya que los resultados están predichos por la mecánica cuántica estándar». En otras palabras, no habría ninguna razón de peso para interpretar el resultado en términos de la TSVF en lugar de una de las muchas otras formas en que los investigadores interpretan el comportamiento cuántico.
Elitzur está de acuerdo en que su experimento podría haber sido concebido utilizando la visión convencional de la mecánica cuántica que prevalecía hace décadas-pero nunca lo fue. «¿No es eso un buen indicio de la solidez de la TSVF?», pregunta. Y si alguien cree que puede formular una imagen diferente de «lo que realmente está ocurriendo» en este experimento utilizando la mecánica cuántica estándar, añade: «¡Pues que siga adelante!»
Confía en que el trabajo anuncia «nada menos que una revolución dentro de la mecánica cuántica». Ahora que los métodos de medición se han vuelto lo suficientemente precisos, dice, «puedes estar seguro de que nociones como la retrocausación van a formar parte de la realidad cuántica.»