NeoFronteras

Descubren una conexión entre el principio de incertidumbre de Heisenberg y la no localidad de la Mecánica cuántica.

Stephanie Wehner, del Centro de Tecnología Cuántica y de la Universidad Nacional de Singapur, y Jonathan Oppenheim, de la Universidad de Cambridge (RU), publican un artículo en Science en el que consiguen relacionar el principio de incertidumbre con la “acción a distancia” que aparece en los experimentos ERP en Mecánica cuántica.
Este sorprendente resultado representa un logro dramático en la compresión de la Mecánica Cuántica y proporciona pistas sobre los aspectos fundacionales de la Teoría Cuántica. Habla de por qué la Mecánica Cuántica es extraña, pero no aún más extraña.
El comportamiento de las partículas pequeñas como los fotones, electrones, átomos o moléculas ha mantenido perplejos a los físicos desde hace ya un siglo. La única teoría que explica bien dicho comportamiento es la Mecánica Cuántica, pero sus predicciones (siempre comprobadas por experimentos) y su naturaleza probabilística hizo creer a algunos físicos, como Albert Einstein, que esta teoría era sólo una aproximación de una teoría mejor, más completa y aún por descubrir.
La teoría cuántica parece ser no local y, bajo determinadas circunstancias, eventos que suceden en un lugar pueden afectar a lo que ocurra en otro lugar situado a una distancia arbitraria. Esta acción a distancia también molesta a Einstein y sus seguidores.
La famosa acción a distancia parecía ser un buen ejemplo de esta no-localidad. Supongamos que se lanzan dos fotones en direcciones opuestas que esteń entrelazados cuánticamente en una superposición de estados de polarización, digamos que en estado “AB”. Esto significa que no sabemos si están en el estado “A” o en el estado “B” (con electrones sería el spin) pero si medimos una de estas partículas y resulta que está en estado “A” entonces, automáticamente, el estado de la otra partícula queda determinado específicamente aunque se encuentre a años luz de distancia. La idea de localidad desaparece porque el comportamiento local debería de estar gobernado por eventos locales y en este caso no es así. Esta es la famosa paradoja EPR (por Einstein, Podolsky y Rosen). Hay que añadir que, a pesar de todo, no se viola la causalidad relativista, porque no se transmite información en el proceso, así que no hay comunicación superlumínica entre las partículas.
En los experimentos realizados hace años se pudo comprobar que las desigualdades de Bell eran violadas. La Mecánica Cuántica resistió la prueba y por tanto debía de ser no realista o no local o incluso ninguna de las dos. En experimentos recientes se ha podido incluso eliminar muchos modelos realistas no locales y se piensa que incluso renunciar al concepto de localidad no es suficiente para obtener una descripción más completa del mundo microscópico que el que la Mecánica Cuántica proporciona.
Otro aspecto básico de la Mecánica Cuántica es el principio de incertidumbre, que relaciona observables como la cantidad de movimiento (momento) y la posición. De este modo, cuanto mejor conozcamos el momento de un electrón peor podremos situarlo en un lugar en concreto del espacio y viceversa. Digamos que la observación de un objeto de este tipo inevitablemente altera otras mediciones que queramos tomar. Se puede demostrar que si la Mecánica Cuántica (MC) es correcta podremos encontrar pares de observables (con sus correspondientes operadores) que obedezcan a este principio de incertidumbre o indeterminación.
Aunque en una primera aproximación podemos pensar que este principio se debe a lo “manazas” que podamos ser al observar un objeto cuántico, en realidad esto no es así, sino que la indeterminación es intrínseca al sistema cuántico observado e impone un límite al conocimiento que podamos tener sobre él por muy habilidosos que seamos.
Previamente a este trabajo, ambos conceptos, el de no-localidad y la incertidumbre, se consideraban dos fenómenos completamente separados. Este nuevo trabajo muestra que están intrincadamente unidos y además muestra que esta relación es cuantitativa. Han podido incluso encontrar una ecuación que muestra que la “cantidad” de no localidad está determinada por el principio de incertidumbre.
Lo paradójico de este hallazgo es que Einstein y sus seguidores descubrieron la no localidad cuando buscaban una manera de menoscabar el principio de incertidumbre. Ahora parece que el principio de incertidumbre devuelve el golpe.
La no-localidad determina cómo de bien dos partes a distancia en un sistema cuántico correlacionado coordinan sus acciones sin necesidad de enviarse información. La MC permite a dos de esas entidades a coordinarse mucho mejor de lo que sería posible bajo las leyes de la Física Clásica. De hecho, sus acciones pueden ser coordinadas de tal manera que pareciera que se hablan una a la otra.
Lo que es más, la no-localidad podría ser aún peor de lo que ya es. Es posible crear (concebir) teorías cuánticas que permitan una coordinación mucho mejor de lo que la Naturaleza permite en esos escenarios, incluso sin necesidad de violar la causalidad relativista. La Mecánica Cuántica está en consecuencia limitada y no se permite una no-localidad aún más fuerte que la que ya se da.
Por tanto, la Naturaleza podría ser más extraña aún, pero no lo es, ¿por qué?, ¿qué impone esos límites? La respuesta según estos físicos descansa en el principio de incertidumbre. Dos partes podrían coordinarse mejor y que así hubiera una mejor “acción a distancia”, pero sólo si se violase el principio de incertidumbre (algo que no se puede dar). Esto, por tanto, impone un límite estricto a cómo de fuerte puede ser la no-localidad. Si la Mecánica Cuántica fuera más no-local de lo que entonces se violaría el principio de incertidumbre.
En palabras de uno de estos físicos sería estupendo que pudiéramos coordinar acciones a distancias muy grandes, así como resolver tareas de procesamiento de información de manera eficiente, pero un mundo sin principio de incertidumbre sería un mundo muy distinto al que disfrutamos.
El hallazgo vino al estar trabajando en la teoría de la información cuántica. Wehner trabajaba antes como experta informática y se pasó al estudio del mundo de la computación cuántica. La visión tradicional de ver la no-localidad impedía ver su conexión con el principio de incertidumbre.
Whever dice que sólo han empezado a vislumbrar la relación entre no-localidad y principio de incertidumbre, así que queda trabajo por hacer.
Hasta ahora los esfuerzos realizados en el estudio de la MC se centraban en la no-localidad, pero este resultado abre otra vía de ataque. Quizás incluso ayude a encontrar una teoría cuántica de la gravedad.

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Fuentes y referencias:
Nota de prensa.
Artículo original.
Artículo en ArXiv.
Comprobando los límites del principio de incertidumbre
La mecánica cuántica pasa otra prueba.
Mundo clásico a partir del cuántico
Otra prueba a favor de la Mecánica Cuántica
Entrelazamiento cuántico y libre albedrío
Ilustración: Frans Bartels, idea de Haw Jing Yan.