Cómo la naturaleza de causa y efecto determinará el futuro de la tecnología cuántica

Aquí hay una pregunta curiosa: ¿Ciertos eventos físicos no tienen causa, o hay una razón detrás de cada acción?

Este enigma se encuentra en el corazón de una de las áreas más extrañas de la ciencia fundamental. Y ha desconcertado a algunas de las mentes más brillantes de la historia de la ciencia.

Pero también tiene consecuencias importantes para las tecnologías emergentes como la computación cuántica y la criptografía cuántica. Incluso puede estar en el corazón de un área completamente nueva de la ciencia que está cambiando nuestra comprensión de la causa y el efecto.

Hoy tenemos respuesta a esta pregunta, gracias al trabajo de Morgan Mitchell en el Instituto de Ciencia y Tecnología de Barcelona en España, junto con decenas de colaboradores y más de 100.000 experimentadores en todo el mundo que han llevado a cabo una prueba única de uno de las predicciones más confusas de la teoría cuántica.

Su conclusión es que no es necesario que haya una explicación para cada acción. Si la voluntad humana es libre, hay eventos físicos sin causas, dicen Mitchell y compañía. Su investigación utiliza ciencia basada en evidencia para vincular el concepto metafísico del libre albedrío con la física básica por primera vez.

Primero, algunos antecedentes. Una de las características curiosas de la mecánica cuántica es que permite que las partículas cuánticas creadas en el mismo punto del espacio y el tiempo compartan la misma existencia. Este vínculo se conoce como entrelazamiento y permanece intacto sin importar qué tan lejos se muevan estas partículas.

Lo extraño del entrelazamiento es que une un punto del universo con otro punto sin abarcar la distancia intermedia. Entonces, una medición en uno influye instantáneamente en el otro sin importar cuán lejos esté.

Ese es un rompecabezas de larga data porque no hay forma de que una partícula influya en la otra sin enviar señales más rápidas que la luz, y los físicos están bastante seguros de que esto no es lo que está sucediendo.

Pero hay otra posible explicación. Esto es que ambas partículas están correlacionadas de una forma oculta que los físicos aún no entienden. Pero si fuera posible medir esta variable oculta, los físicos verían cómo determina el comportamiento de ambas partículas.

Según esta forma de pensar, el comportamiento cuántico es completamente determinista y hay una razón para todo lo que sucede en la escala cuántica. Esta variable oculta debe ser parte de una teoría más profunda de la realidad.

Eso plantea una pregunta obvia: si existe una teoría más profunda de la realidad, ¿cómo podemos encontrar pruebas de ella?

En la década de 1960, John Bell, entonces un oscuro físico del CERN, se preocupó por este problema. Einstein había luchado con él sin éxito en la década de 1930, pero sucesivas generaciones de físicos habían barrido el problema debajo de la alfombra desde entonces, reacios a lidiar con la idea de que podría haber una teoría más fundamental que la mecánica cuántica.

Por el contrario, Bell agarró el problema por la nuca. Demostró que si una teoría de variables ocultas fuera la base sobre la que se construyó la mecánica cuántica, el universo se comportaría de una manera sutilmente diferente que si la mecánica cuántica fuera solo la base. Y lo que es más importante, mostró cómo se podía medir esta diferencia.

La prueba de Bell mide las propiedades de dos partículas entrelazadas, esencialmente cómo la medición de una influye en la otra. Si la teoría de la variable oculta fuera cierta, habría un resultado; si no es cierto, un resultado diferente.

A fines de la década de 1960, la prueba de Bell estaba más allá de las capacidades de los físicos cuánticos. Requería una fuente confiable de partículas entrelazadas, que era imposible de producir en esos días. Y requirió muchas mediciones para construir la evidencia estadística requerida para convencer a los físicos.

No fue hasta 1982 que la tecnología avanzó lo suficiente como para realizar una prueba de Bell. Y el experimento mostró claramente que las teorías de variables ocultas eran incompatibles con los resultados. La prueba de Bell mostró que la forma en que una partícula entrelazada influía en otra no era el resultado de una variable oculta regida por principios deterministas. En otras palabras, el proceso de causa y efecto no podría explicar esta influencia.

Este resultado fue tan alucinante y profundo que la mayoría de los físicos simplemente lo ignoraron. Pero un pequeño grupo de físicos cuánticos comenzó a investigarlo con más detalle.

Les preocupaba que el experimento tuviera una laguna importante. La prueba de Bell requiere que se realicen ciertas mediciones con configuraciones aleatorias. Por ejemplo, un fotón entrelazado podría enviarse a través de un conjunto de filtros polarizadores en un ángulo elegido al azar.

La verdadera aleatoriedad es importante porque no tiene un patrón subyacente que pueda ser determinado por una teoría de variables ocultas. Sin embargo, si la configuración de la prueba no fuera aleatoria, sino que estuviera influenciada por una variable oculta, los resultados serían nulos y el experimento no válido.

Pero aquí está la dificultad. Garantizar la verdadera aleatoriedad es difícil. Los físicos pueden calcular números aparentemente aleatorios, pero este proceso depende de las leyes de la física y, por lo tanto, de cualquier teoría de variables ocultas, en caso de que exista. De hecho, si una teoría de variables ocultas está en funcionamiento, entonces gobierna todo el universo y cada proceso dentro de él, incluido cualquier proceso determinista utilizado para establecer el experimento.

Desde 1982, los físicos han realizado muchas pruebas de Bell. De hecho, se han convertido en una rutina en los laboratorios de óptica cuántica y en una parte clave de los protocolos utilizados en tecnologías emergentes como la criptografía cuántica. Cada una de estas pruebas sugiere que la teoría de la variable oculta no puede ser cierta. Pero al mismo tiempo, cada prueba podría ser víctima de esta misma laguna.

Para Bell, había una forma potencial de salir de este enigma: usar el libre albedrío humano. En principio, el libre albedrío nos permite elegir cualquier escenario para el experimento, independientemente del papel de una teoría de la variable oculta. Entonces, la última prueba de Bell implicaría que los humanos eligieran la configuración en el experimento para cerrar esta laguna de libertad de elección.

Es más fácil decirlo que hacerlo. Una prueba típica de Bell implica millones de pares entrelazados y millones de cambios en la configuración experimental durante un período de unas pocas horas. Pero un solo ser humano que controle estos ajustes no podría cambiarlos más rápido que unos 3 bits por segundo. Claramente, tal experimento no sería práctico.

Ahí es donde entran en juego Mitchell y sus colegas. Su idea era conseguir la influencia humana necesaria. Entonces, durante 12 horas el 30 de noviembre de 2016, reunieron a 100 000 voluntarios, los llamados Bellsters, de todo el mundo para generar bits aleatorios que luego podrían usarse para controlar la configuración en 13 pruebas diferentes de las ideas de Bell.

Para producir suficientes datos consistentemente, Mitchell y compañía. gamificado el proceso de producción de bits, otorgando a los jugadores puntajes y recompensas por lograr ciertos objetivos. Luego, los bits se enviaron a una velocidad constante de 1.000 bits por segundo a laboratorios de todo el mundo que acordaron realizar una prueba de Bell de varias maneras, utilizando fotones como partículas cuánticas, átomos e incluso superconductores en innumerables combinaciones.

Por sí mismo, es un logro impresionante. Involucrar a 100,000 voluntarios de todo el mundo para trabajar en un experimento al mismo tiempo en un solo día es un logro significativo desde cualquier punto de vista. Será interesante ver cómo se puede utilizar este tipo de capacidad de crowdsourcing en el futuro.

Pero el experimento en sí mismo es el enfoque real y los resultados son inequívocos. Los 13 experimentos produjeron resultados que refutan contundentemente la posibilidad de una teoría de la variable oculta. Y cierran la laguna de la libertad de elección en la medida de lo posible. Los resultados muestran empíricamente que la agencia humana es incompatible con el determinismo causal, una pregunta que antes solo era accesible para la metafísica, dicen Mitchell y compañía.

Esa es una buena noticia para las muchas tecnologías cuánticas emergentes que se basan en las pruebas de Bell, como la teletransportación cuántica y la criptografía cuántica. La existencia de una teoría de variables ocultas implicaría, por ejemplo, que la criptografía cuántica puede no ser perfectamente segura.

Por supuesto, esta prueba de Big Bell no es perfecta. Los seres humanos se rigen por las leyes de la física de la misma manera que todos los demás objetos. De hecho, somos simplemente máquinas complejas, no diferentes en principio de cualquier otra máquina que pueda girar diales y cambiar configuraciones experimentales.

Entonces, el libre albedrío humano no tiene un estatus especial en el universo, y si la teoría de la variable oculta gobierna el universo, también debe regir nuestro libre albedrío. En ese caso, la voluntad humana no sería libre sino que en última instancia estaría gobernada por un sistema determinista de variables ocultas.

Entonces, la Prueba de Big Bell no cierra todas las lagunas. Pero sugiere que si hay una realidad más profunda debajo de la mecánica cuántica, no será accesible para nosotros.

Entonces, ¿qué pasa con la pregunta original: ciertos eventos físicos no tienen causa?

La prueba de Big Bell proporciona una respuesta, aunque de una variedad condicional. La respuesta es esta: si los humanos tienen libre albedrío, entonces algunos eventos físicos no tienen causa.

Y ese es un trampolín para un conjunto completamente nuevo de experimentos fundamentales sobre la naturaleza de la causa y el efecto. La mecánica cuántica, y las pruebas de Bell en particular, borran la distinción entre causa y efecto. Entonces, los físicos están explorando los límites de estas ideas para ver cómo se pueden usar en dispositivos informáticos, algoritmos de seguridad y similares. Los primeros resultados son prometedoramente ambiguos, aunque pasará algún tiempo antes de que lleguen a las aplicaciones cotidianas.

Han pasado 50 años desde que Bell presentó sus controvertidas ideas, pero las pruebas de Bell ahora se encuentran en el corazón de la revolución emergente de la tecnología cuántica. Seguramente sería optimista de que se producirán más progresos.

Ref: arxiv.org/abs/1805.04431 : Desafiando el realismo local con elecciones humanas

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