Crean una superposición cuántica de eventos (causa-efecto)

La superposición cuántica, también llamada coherencia, es un fenómeno al que estamos ya bastante acostumbrados. Habitualmente, si un sistemas cuántico puede estar en dos estados también puede estar en la superposición de dos estados. Eso se ha estudiado en muchos casos, incluyendo electrones que cruzan dos rendijas, fotones que siguen múltiples caminos o átomos que están excitados y no-excitados al mismo tiempo. Parece que ya se han conseguido todas las superposiciones posibles.

Aún así, siempre hay quien quiere ir más allá. Investigadores de Viena ha seguido esa filosofía y han creado un nuevo tipo de superposición, una superposición de eventos [1].

Veamos qué quiere decir esto. Imaginemos que tenemos a nuestros dos investigadores favoritos, Alice y Bob. Han decidido hacer una operación cada uno en un qubit (bit cuántico). Este puede estar en dos estados $\left|0\right>$ o $\left|1\right>$. La operación que hagan da un poco igual. Puede ser convertirlo en $\left|0\right>$, en $\left|1\right>$, invertirlo o incluso leerlo. La cuestión es que tienen que decidir quien hará primero su operación. Para no pelearse deciden que eso lo determinará otro qubit que usarán como moneda. Si ese otro qubit es $\left|0\right>$ primero actuará Alice y luego actuará Bob. Si es $\left|1\right>$ será al contrario. No parece nada complicado por ahora.

Pero esto es física cuántica, y la física cuántica es más interesante. En física cuántica el qubit que utilizan Alice y Bob para decidir quien actúa primero puede estar en superposición, algo como $\frac{0+1}{\sqrt{2}}$. ¿Quién actúa primero en este caso? Evidentemente los dos actuarán primero de manera superpuesta.

Así que es imposible decir que uno actuó antes que el otro. No es que lo hiciera y no lo sepamos, es que no está ni siquiera definido.

todo esto está muy bien sobre el papel, pero hay que ver las cosas para creérselas. Es por eso que este grupo decidió realizar un experimento muy interesante. Para ello usaron dos fotones. Uno de ellos se medía y en función de su resultado se realizaba una medida u otra en el segundo fotón. Las medidas de Alice y bob determinan que el fotón siga un camino u otro, por lo que al final midiendo el estado del fotón de control y del fotón medido pueden determinar quien midió antes.

¿El resultado? Pues el esperable. Si el sistema fuera clásico cuando el fotón de control se midiera en $\left|0\right>$ se obtuviera como resultado que Alice midió antes que Bob. En el caso de que se midiera $\left|1\right>$ se espra el resultado contrario. Lo que se obtuvo en el experimento no fue eso, sino un resultado que concuerda con la previsión cuántica de que el orden de las medidas no está definido. Sólo menciono que los autores proponen su propia "medida de causalidad" con la que demuestran que efectivamente la causa-efecto no se puede definir.

Esto suscita bastantes preguntas fundamentales. Estamos acostumbrados a un mundo clásico, en el que la causa de un efecto puede ser definida. Sin embargo, parece que en el mundo cuántico eso no ocurre así. ¿Existe entonces la causalidad?



Referencia:

[1] G. Rubino et al. Experimental verification of an indefinite causal order. Science Advances 3 e1602589 (2017).