Nuestra comprensión del mundo se basa principalmente en percepciones básicas, como que los eventos se suceden en un orden bien definido. Estos órdenes definidos son necesarios en el mundo macroscópico, para lo cual se aplican las leyes de la física clásica. El trabajo actual de un equipo de físicos de la Universidad de Viena es la primera cuantificación experimental de tal superposición. Se publicará en un próximo número de Avances de la ciencia .

Al describir la naturaleza usando leyes físicas, los científicos a menudo parten de experiencias cotidianas. Sin embargo, nuestra intuición habitual no se aplica al mundo cuántico. Los físicos se han dado cuenta recientemente de que la teoría cuántica incluso nos obliga a cuestionar conceptos innatos, como el orden en que ocurren las cosas. Imagina, por ejemplo, una carrera entre dos amigos, Alice y Bob. En todos los días de la vida, el ganador es el primero en cruzar la línea de meta. Por lo tanto, el sentido común dice que Alice gana, Bob gana o se atan. Este razonamiento, sin embargo, no siempre es aplicable en el mundo cuántico. De hecho, La mecánica cuántica permite que cada corredor gane y pierda en una carrera:Alice podría llegar a la meta antes y después de Bob en superposición cuántica. Sin embargo, incluso si tuviéramos una carrera tan cuántica, ¿Cómo podríamos verificar que ambos corredores ganaran en superposición? Parte del problema es que la mecánica cuántica dice que cuando observamos la carrera se "colapsa". Esto significa que solo vemos a Alice ganar o perder la carrera:no podemos ver la superposición.

Presenciar órdenes de operaciones revueltas

Un grupo de físicos dirigido por Philip Walther en la Universidad de Viena ha implementado una nueva medición, llamado "testigo causal", lo que les permite ver a Alice ganar y perder al mismo tiempo. Esta emocionante técnica de medición fue diseñada por el grupo de teoría de Caslav Brukner en la Academia de Ciencias de Austria. Formalmente, un testigo causal es una herramienta matemática para determinar si es posible describir un experimento sin tener que recurrir a órdenes superpuestos. Usando esta nueva herramienta, los físicos podían hacer más que simplemente ver a Alice ganar y perder en superposición:fueron capaces de cuantificar el grado en que las dos situaciones estaban realmente superpuestas.

En lugar de celebrar una carrera cuántica microscópica, los científicos superpusieron el orden en el que dos operaciones cuánticas actuaban sobre partículas de luz. En su experimento, los físicos colocaron fotones, partículas de luz, en una superposición de dos caminos diferentes. Luego, cada ruta se encaminó en diferentes órdenes a través de dos operaciones cuánticas diferentes. Aunque en el pasado el equipo había creado tal superposición de órdenes de operaciones cuánticas, anteriormente solo podían verificar la superposición indirectamente.

Para implementar el testimonio causal, los físicos necesitaban idear un esquema que les permitiera extraer información del interior de un proceso cuántico sumamente frágil sin destruirlo. Para hacerlo utilizaron otro sistema cuántico para levantar esencialmente una bandera cuando el fotón pasó por una de las operaciones cuánticas. Aunque esto aún podría haber colapsado el sistema, los físicos encontraron un nuevo truco para medir el sistema cuántico adicional manteniendo intacta la superposición. Su nueva técnica les permitió extraer solo información sobre la superposición general, y no sobre el orden de las operaciones. A partir de esos resultados de medición, confirmaron que los fotones realmente habían pasado por ambas operaciones cuánticas en dos órdenes al mismo tiempo.

Implicaciones futuras

El hecho de que el orden de las operaciones cuánticas se pueda poner en superposición cuántica abre un nuevo campo de juego para los estudios de mecánica cuántica. En el lado teórico, esto ya lo indican un gran número de estudios y propuestas sobre el papel de las "relaciones causales" dentro de la mecánica cuántica. Sin embargo, traducir estas propuestas en experimentos de laboratorio es un desafío. "Nuestra demostración experimental es un importante paso adelante en esta área, ya que demuestra cómo extraer información dentro de estos procesos sin alterar su naturaleza cuántica ", dice Giulia Rubino, autor principal del estudio.

El próximo objetivo del grupo es aprovechar los nuevos avances tecnológicos para crear superposiciones de procesos más complejos. Esto les permitirá obtener conocimientos más profundos sobre la interacción entre las relaciones causales y la mecánica cuántica. Es más, presenta una nueva e interesante ruta para optimizar tareas incluso más allá de lo que es posible utilizando computadoras cuánticas estándar con un orden fijo de operaciones.