Miguel Navascu¨¦s: ¡°La f¨ªsica cl¨¢sica es una teor¨ªa muy razonable, pero no describe nuestro mundo¡±

El equipo del Instituto de ?ptica e Informaci¨®n Cu¨¢nticas que dirige Miguel Navascu¨¦s, en la Academia de Ciencias de Austria, puso hace un a?o patas arriba esta ciencia al plantear en Nature que una alternativa a la teor¨ªa cu¨¢ntica basada en n¨²meros reales puede ser falseada experimentalmente. Desde entonces, varios equipos por todo el mundo han tratado de responder a este desaf¨ªo, incluido el suyo. El pasado enero, Physical Review Letters public¨® la investigaci¨®n del grupo liderado por este madrile?o de 41 a?os y que refuta la teor¨ªa cu¨¢ntica real como teor¨ªa f¨ªsica universal.

Tras salir de Madrid y pasar por Barcelona, Londres, Bristol y Ankara, Navascu¨¦s ha recalado en Viena, desde donde dirige uno de los equipos m¨¢s innovadores en f¨ªsica cu¨¢ntica del mundo. Sus planteamientos abren las puertas a una nueva era en esta disciplina, considerada por Nature una de las siete m¨¢s relevantes de este a?o en los ¨¢mbitos de la ciencia y la tecnolog¨ªa.

Pregunta. ?Qu¨¦ es la f¨ªsica cu¨¢ntica basada en n¨²meros reales?

Respuesta. La f¨ªsica cu¨¢ntica es una teor¨ªa matem¨¢tica elaborada en 1930 para explicar experimentos con objetos muy peque?os. Los elementos b¨¢sicos de esta teor¨ªa son listas de n¨²meros complejos (sumas de n¨²meros reales e imaginarios), las llamadas ¡°funciones de onda¡±, que los f¨ªsicos usamos para describir el estado o configuraci¨®n de esos objetos. Si solo usamos funciones de onda con n¨²meros reales, tenemos una nueva teor¨ªa: la f¨ªsica cu¨¢ntica real.

P. ?Y se puede distinguir de la f¨ªsica cu¨¢ntica est¨¢ndar?

R. Pues ¨¦se es el tema. Durante mucho tiempo, se pensaba que no. Sin embargo, hace un a?o, mis colaboradores y yo dise?amos un experimento cu¨¢ntico que, de ser realizado, generar¨ªa resultados que no se pueden explicar con la f¨ªsica cu¨¢ntica real. Es un experimento muy complicado: requiere no uno, sino tres laboratorios separados en el espacio; llam¨¦moslos rojo, azul y verde. En el experimento, una fuente de part¨ªculas manda una part¨ªcula al laboratorio rojo y otra, al azul. Independientemente, otra fuente de part¨ªculas env¨ªa una part¨ªcula al laboratorio azul y otra, al verde. Es decir: el laboratorio azul recibe dos part¨ªculas, una por cada fuente, mientras que los laboratorios rojo y verde reciben una part¨ªcula cada uno. A continuaci¨®n, los f¨ªsicos en cada laboratorio miden una serie de magnitudes de las part¨ªculas que les han tocado. Si cierta propiedad estad¨ªstica de los resultados supera cierto valor, el experimento no se puede reproducir con una teor¨ªa cu¨¢ntica real. Lo que acabo de describir es un experimento mental: para refutar la teor¨ªa cu¨¢ntica con n¨²meros reales, hab¨ªa que hacer un experimento de verdad.

P. ?Y c¨®mo ha sido el experimento?

R. Pues... ?una aventura! Nuestro trabajo te¨®rico llam¨® mucho la atenci¨®n y enseguida nos escribieron muchos grupos experimentales para discutir una posible realizaci¨®n del experimento mental. Uno de los grupos que nos contact¨®, con base en Shenzhen (China), propuso una implementaci¨®n con sistemas ¨®pticos, en la que las part¨ªculas que se distribuyen entre los tres laboratorios son fotones [las part¨ªculas que componen la luz]. Como la medida que ten¨ªa que hacer el laboratorio azul es muy complicada de efectuar con fotones, tuvimos que cambiar un poco el dise?o experimental. En un par de meses, el equipo de Shenzhen obtuvo resultados que desbarataban la idea de que nuestro mundo est¨¢ gobernado por una teor¨ªa cu¨¢ntica con n¨²meros reales. Mientras tanto, ya hab¨ªamos o¨ªdo hablar de otra implementaci¨®n de nuestro experimento en Shangh¨¢i, esta vez con sistemas superconductores. Es m¨¢s, el otro d¨ªa tuvimos noticia de una segunda implementaci¨®n con sistemas fot¨®nicos, tambi¨¦n en Shangh¨¢i.

La ¨²nica forma de seguir creyendo en la f¨ªsica cu¨¢ntica con n¨²meros reales es que el universo se est¨¢ adaptando a nuestros experimentos para hacernos creer que vivimos en un mundo cu¨¢ntico est¨¢ndar. Es una posibilidad l¨®gica, pero tambi¨¦n un poco paranoica

P. ?Por qu¨¦ tantos experimentos?

R. Porque ninguno de los tres es concluyente de por s¨ª. Las conclusiones de los dos experimentos con sistemas ¨®pticos solo se sostienen si asumimos que el detector presente en el laboratorio azul funciona de cierta manera. La conclusi¨®n del experimento con qubits superconductores requiere que nos creamos que dos fuentes de part¨ªculas separadas por micr¨®metros son, de hecho, independientes. Sin embargo, si tomamos todos los experimentos juntos, la ¨²nica forma de seguir creyendo en la f¨ªsica cu¨¢ntica con n¨²meros reales es que el universo se est¨¢ adaptando a nuestros experimentos para hacernos creer que vivimos en un mundo cu¨¢ntico est¨¢ndar. Es una posibilidad l¨®gica, pero tambi¨¦n un poco paranoica.

P. ?Entonces la mec¨¢nica cu¨¢ntica tiene que ser compleja?

R. S¨ª, siempre y cuando quieras que la teor¨ªa siga describiendo los mismos fen¨®menos f¨ªsicos. Pero eso no tiene nada que ver con los experimentos, eso se sigue de nuestro trabajo te¨®rico. Me explico: la f¨ªsica cu¨¢ntica es una teor¨ªa matem¨¢tica. En nuestro art¨ªculo te¨®rico demostramos que esta teor¨ªa hace predicciones imposibles de modelar con f¨ªsica cu¨¢ntica con n¨²meros reales. Por lo tanto, la f¨ªsica cu¨¢ntica necesita n¨²meros complejos. Otro tema es si la f¨ªsica cu¨¢ntica necesita n¨²meros complejos para describir correctamente nuestro mundo. A priori, podr¨ªa ser que nuestro mundo estuviese regido por una teor¨ªa cu¨¢ntica con n¨²meros reales, en cuyo caso no har¨ªa falta manejar funciones de onda complejas. Los experimentos han demostrado que ese no es el caso.

No sabemos qu¨¦ tipo de teor¨ªa describe nuestro universo, pero s¨ª sabemos qu¨¦ tipo de teor¨ªa no lo describe: una teor¨ªa cu¨¢ntica con n¨²meros reales

P. En conclusi¨®n, ?se puede desechar la teor¨ªa cu¨¢ntica con n¨²meros reales?

R. Eso es lo que indican los experimentos. No sabemos qu¨¦ tipo de teor¨ªa describe nuestro universo, pero s¨ª sabemos qu¨¦ tipo de teor¨ªa no lo describe: una teor¨ªa cu¨¢ntica con n¨²meros reales.

P. Eso cierra un debate de decenas de a?os.

R. Efectivamente. Y es un debate importante. Hoy por hoy, solo se conocen tres clases de teor¨ªas f¨ªsicas, digamos, plausibles: la f¨ªsica cl¨¢sica, la f¨ªsica cu¨¢ntica con n¨²meros reales y la f¨ªsica cu¨¢ntica est¨¢ndar. La f¨ªsica cl¨¢sica es una teor¨ªa muy razonable, tan razonable que Einstein se resist¨ªa a abandonarla. Desgraciadamente, la f¨ªsica cl¨¢sica no describe nuestro mundo: esto se demostr¨® en los experimentos de comunicaci¨®n cu¨¢ntica llevados a cabo en 2015 en Delft, Viena y Boulder. La f¨ªsica cu¨¢ntica con n¨²meros reales es tambi¨¦n muy razonable; por eso Erwin Schr?dinger, uno de los padres de la teor¨ªa cu¨¢ntica, la abander¨® en su momento. Los tres experimentos llevados a cabo durante el ¨²ltimo a?o sugieren que, aunque razonable, la f¨ªsica cu¨¢ntica con n¨²meros reales tampoco describe nuestro mundo.

P. ?Cu¨¢l es el siguiente paso?

P. El siguiente paso l¨®gico ser¨ªa dise?ar y realizar un experimento que ni siquiera la f¨ªsica cu¨¢ntica pudiera explicar. Esto es claramente imposible si nuestro mundo es cu¨¢ntico. No obstante, aunque nuestro mundo no fuese cu¨¢ntico y ese experimento existiese, no estoy seguro de c¨®mo encontrarlo. El principal obst¨¢culo es que, por el momento, los f¨ªsicos no disponemos de una teor¨ªa alternativa a la f¨ªsica cu¨¢ntica que nos gu¨ªe en el dise?o de ese experimento final.

La f¨ªsica cu¨¢ntica con n¨²meros reales tampoco describe nuestro mundo

P. ?Habr¨¢ en alg¨²n momento ordenadores cu¨¢nticos?

R. Quiero creer que s¨ª, pero no creo que yo vaya a vivir para verlos: necesitar¨ªan o reducir mucho el ruido que tienen hoy en d¨ªa o aumentar la cantidad de qubits (sistemas cu¨¢nticos elementales) para conseguir un ordenador cu¨¢ntico funcional. Lo que s¨ª que veo factible es construir un sistema cu¨¢ntico muy complicado sobre el que se tenga cierto nivel de control y usarlo para estudiar o simular otros sistemas cu¨¢nticos que a¨²n no sabemos controlar. Los sistemas cu¨¢nticos con muchas part¨ªculas no se pueden estudiar con un ordenador convencional. Existe una serie de trucos computacionales que dan una idea aproximada de c¨®mo se comporta el sistema en la realidad, pero en ocasiones esos trucos fallan. Un simulador cu¨¢ntico permitir¨ªa entender sistemas f¨ªsicos de inter¨¦s, dise?ar medicinas y crear nuevos materiales superconductores.

P. Dice el f¨ªsico coreano Jaewook Ahn que la computaci¨®n cu¨¢ntica es como el primer vuelo de los hermanos Wright: inicialmente no serv¨ªa para nada, pero despu¨¦s ha terminado cambiando el mundo.

R. Soy un poco esc¨¦ptico en esta cuesti¨®n, porque conozco la dificultad que realmente entra?a construir uno de esos ordenadores. Pero puedo estar equivocado, y, de hecho, ya he perdido una apuesta al respecto: en 2015 apost¨¦ el equivalente a cincuenta euros en hamburguesas a que, para 2050, a¨²n no tendr¨ªamos control de 50 qubits. Perd¨ª la apuesta en 2019, cuando Google present¨® su dispositivo Sycamore.

P. ?Por qu¨¦ hamburguesas?

R. Porque no sab¨ªamos qu¨¦ divisa se usar¨ªa en 2050.

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