La función de onda de un objeto cuántico puede no ser simplemente una construcción matemática
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¿La mecánica cuántica realmente refleja la naturaleza en su forma más auténtica, o es simplemente nuestra forma imprecisa de describir las extrañas propiedades de lo muy pequeño? Ahora se ha realizado una famosa prueba que puede ayudar a responder esta pregunta en una computadora cuántica y llega a una conclusión sorprendentemente concreta. La mecánica cuántica realmente describe la realidad por completo, al menos para dispositivos cuánticos diminutos, y los resultados podrían ayudarnos a construir máquinas cuánticas mejores y más confiables.
Desde que se descubrió la mecánica cuántica hace más de un siglo, su naturaleza incierta y probabilística ha preocupado a los físicos. Tomemos, por ejemplo, una superposición: ¿una partícula habita en realidad muchos lugares a la vez, o el cálculo de su posición nos da un rango de probabilidades de dónde se encuentra realmente? Si es esto último, puede haber algún rasgo de la realidad oculto a la mecánica cuántica que limite nuestra certeza. Tal característica sería una “variable oculta”, por lo que las teorías que se basan en esta idea se denominan teorías de variables ocultas.
En la década de 1960, el físico John Bell ideó un experimento para descartar tales teorías. Una prueba de Bell investiga la cuántica midiendo qué tan vinculados o entrelazados están pares distantes de partículas cuánticas. Si sus propiedades cuánticas se mantienen por encima de un cierto umbral (si su entrelazamiento es lo que llamamos no local y abarca cualquier distancia), entonces podríamos descartar las teorías de variables ocultas. Desde entonces, se han probado las pruebas de Bell para muchos sistemas cuánticos, fallando unánimemente a favor de la no localidad inherente del mundo cuántico.
En 2012, los físicos Matthew Pusey, Jonathan Barrett y Terry Rudolph idearon una prueba aún más exhaustiva (llamada PBR en su honor), que permitiría a los experimentadores diferenciar entre varias interpretaciones de un sistema cuántico. Estos incluyen la visión óntica, que dice que nuestras mediciones de un sistema cuántico y su función de onda (la descripción matemática de sus estados cuánticos) representan la realidad. Otra interpretación, llamada visión epistémica, dice que esta función de onda es un espejismo y que debajo existe una realidad más profunda y rica.
Suponiendo que creas que los sistemas cuánticos no tienen alguna otra característica secreta que pueda afectar a los sistemas más allá de la función de onda, entonces las matemáticas del PBR muestran que siempre debes tener una visión óntica de las cosas: que, por extraños que parezcan, los comportamientos cuánticos son reales. La prueba PBR funciona comparando diferentes elementos cuánticos, como un qubit dentro de una computadora cuántica, y midiendo con qué frecuencia leen el mismo valor para alguna propiedad, como su espín. Si la visión epistémica fuera correcta, la cantidad de veces que sus qubits leerían el mismo valor sería mayor de lo que predice la mecánica cuántica, lo que indicaría que algo más está sucediendo debajo.
Songqinghao Yang, de la Universidad de Cambridge, y sus colegas idearon una manera de llevar a cabo la prueba PBR en una computadora cuántica IBM Heron en funcionamiento, y vieron que, para un número pequeño de qubits, podemos decir que los sistemas cuánticos son ónticos. Es decir, la mecánica cuántica parece funcionar como pensábamos, tal como lo han demostrado repetidamente las pruebas de Bell.
Yang y su equipo llevaron a cabo esta verificación midiendo la producción total producida por pares o grupos de cinco qubits, como cadenas de unos y ceros, y calcularon con qué frecuencia este resultado se alineaba con su predicción de cómo debería comportarse un sistema cuántico, teniendo en cuenta los errores naturales del sistema.
“Actualmente, todo el hardware cuántico es ruidoso y hay algunos errores en todas las operaciones, por lo que si agregamos este ruido al umbral de PBR, ¿qué pasaría con nuestra interpretación? [of our system]?” dice Yang. “Resulta que si se hace el experimento a pequeña escala, aún podemos satisfacer la prueba PBR original y podemos descartar la interpretación epistémica”. Variables ocultas, vete.
Si bien pudieron demostrar esto para una pequeña cantidad de qubits, tuvieron dificultades para hacer lo mismo con una mayor cantidad de qubits en la máquina IBM de 156 qubits. El ruido o errores en el sistema se volvieron demasiado grandes para que los investigadores pudieran distinguir entre los dos escenarios en una prueba PBR.
Esto significa que la prueba no puede decirnos si el mundo es cuántico en su totalidad. Podría ser que en algunas escalas, la visión óntica gane, mientras que en escalas mayores no seamos capaces de ver con precisión qué están haciendo los efectos cuánticos.
Ser capaz de verificar la “cuantidad” de una computadora cuántica usando esta prueba podría ser una forma de confirmar que estos dispositivos están haciendo lo que creemos que hacen, así como hacerlos más propensos a mostrar una ventaja cuántica: la capacidad de realizar una tarea que a una computadora clásica le llevaría una cantidad de tiempo irrazonable. “Si quieres tener una ventaja cuántica, necesitas tener cuántica dentro de tus computadoras cuánticas, o de lo contrario puedes encontrar un algoritmo clásico equivalente”, dice el miembro del equipo Haomu Yuan de la Universidad de Cambridge.
“La idea de utilizar PBR como punto de referencia del rendimiento del dispositivo es intrigante”, dice Matthew Pusey de la Universidad de York, Reino Unido, uno de los autores originales de PBR. Pero Pusey está menos seguro de que nos esté diciendo algo sobre la realidad. “La razón principal para hacer el experimento, en lugar de confiar en la teoría, es si crees que la teoría cuántica podría estar equivocada. Pero si la teoría cuántica está equivocada, ¿qué pregunta te haces? Toda la configuración de los estados ónticos versus epistémicos presupone la teoría cuántica”.
Para realmente encontrar una manera de hacer una prueba PBR que nos informe sobre la realidad, sería necesario encontrar una manera de hacerlo sin presuponer que la teoría cuántica es correcta. “Hay una minoría de personas que creen que la física cuántica se descompondrá fundamentalmente en alguna escala mesoscópica”, dice Terry Rudolph del Imperial College de Londres, otro de los creadores de la prueba PBR. “Aunque este experimento probablemente no sea relevante para descartar ninguna propuesta específica de este tipo (para ser claros, ¡no sé si lo es!), probar las características fundamentales de la teoría cuántica en sistemas cada vez más grandes siempre nos ayuda a reducir el espacio de búsqueda de teorías alternativas”.
Referencia: arXiv, DOI: arxiv.org/abs/2510.11213
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