Miguel Navascués, en una imagen facilitada por el investigador desde el Instituto de Óptica e Información Cuánticas de Viena.
El equipo del Instituto de Óptica e Información Cuánticas que dirige Miguel Navascués, en la Academia de Ciencias de Austria, puso hace un año patas arriba esta ciencia al plantear en Nature que una alternativa a la teoría cuántica basada en números reales puede ser falseada experimentalmente. Desde entonces, varios equipos por todo el mundo han tratado de responder a este desafío, incluido el suyo. El pasado enero, Physical Review Letters publicó la investigación del grupo liderado por este madrileño de 41 años y que refuta la teoría cuántica real como teoría física universal.
Tras salir de Madrid y pasar por Barcelona, Londres, Bristol y Ankara, Navascués ha recalado en Viena, desde donde dirige uno de los equipos más innovadores en física cuántica del mundo. Sus planteamientos abren las puertas a una nueva era en esta disciplina, considerada por Nature una de las siete más relevantes de este año en los ámbitos de la ciencia y la tecnología.
Pregunta. ¿Qué es la física cuántica basada en números reales?
Respuesta. La física cuántica es una teoría matemática elaborada en 1930 para explicar experimentos con objetos muy pequeños. Los elementos básicos de esta teoría son listas de números complejos (sumas de números reales e imaginarios), las llamadas “funciones de onda”, que los físicos usamos para describir el estado o configuración de esos objetos. Si solo usamos funciones de onda con números reales, tenemos una nueva teoría: la física cuántica real.
P. ¿Y se puede distinguir de la física cuántica estándar?
R. Pues ése es el tema. Durante mucho tiempo, se pensaba que no. Sin embargo, hace un año, mis colaboradores y yo diseñamos un experimento cuántico que, de ser realizado, generaría resultados que no se pueden explicar con la física cuántica real. Es un experimento muy complicado: requiere no uno, sino tres laboratorios separados en el espacio; llamémoslos rojo, azul y verde. En el experimento, una fuente de partículas manda una partícula al laboratorio rojo y otra, al azul. Independientemente, otra fuente de partículas envía una partícula al laboratorio azul y otra, al verde. Es decir: el laboratorio azul recibe dos partículas, una por cada fuente, mientras que los laboratorios rojo y verde reciben una partícula cada uno. A continuación, los físicos en cada laboratorio miden una serie de magnitudes de las partículas que les han tocado. Si cierta propiedad estadística de los resultados supera cierto valor, el experimento no se puede reproducir con una teoría cuántica real. Lo que acabo de describir es un experimento mental: para refutar la teoría cuántica con números reales, había que hacer un experimento de verdad.
P. ¿Y cómo ha sido el experimento?
R. Pues… ¡una aventura! Nuestro trabajo teórico llamó mucho la atención y enseguida nos escribieron muchos grupos experimentales para discutir una posible realización del experimento mental. Uno de los grupos que nos contactó, con base en Shenzhen (China), propuso una implementación con sistemas ópticos, en la que las partículas que se distribuyen entre los tres laboratorios son fotones [las partículas que componen la luz]. Como la medida que tenía que hacer el laboratorio azul es muy complicada de efectuar con fotones, tuvimos que cambiar un poco el diseño experimental. En un par de meses, el equipo de Shenzhen obtuvo resultados que desbarataban la idea de que nuestro mundo está gobernado por una teoría cuántica con números reales. Mientras tanto, ya habíamos oído hablar de otra implementación de nuestro experimento en Shanghái, esta vez con sistemas superconductores. Es más, el otro día tuvimos noticia de una segunda implementación con sistemas fotónicos, también en Shanghái.
La única forma de seguir creyendo en la física cuántica con números reales es que el universo se está adaptando a nuestros experimentos para hacernos creer que vivimos en un mundo cuántico estándar. Es una posibilidad lógica, pero también un poco paranoica
P. ¿Por qué tantos experimentos?
R. Porque ninguno de los tres es concluyente de por sí. Las conclusiones de los dos experimentos con sistemas ópticos solo se sostienen si asumimos que el detector presente en el laboratorio azul funciona de cierta manera. La conclusión del experimento con qubits superconductores requiere que nos creamos que dos fuentes de partículas separadas por micrómetros son, de hecho, independientes. Sin embargo, si tomamos todos los experimentos juntos, la única forma de seguir creyendo en la física cuántica con números reales es que el universo se está adaptando a nuestros experimentos para hacernos creer que vivimos en un mundo cuántico estándar. Es una posibilidad lógica, pero también un poco paranoica.
P. ¿Entonces la mecánica cuántica tiene que ser compleja?
R. Sí, siempre y cuando quieras que la teoría siga describiendo los mismos fenómenos físicos. Pero eso no tiene nada que ver con los experimentos, eso se sigue de nuestro trabajo teórico. Me explico: la física cuántica es una teoría matemática. En nuestro artículo teórico demostramos que esta teoría hace predicciones imposibles de modelar con física cuántica con números reales. Por lo tanto, la física cuántica necesita números complejos. Otro tema es si la física cuántica necesita números complejos para describir correctamente nuestro mundo. A priori, podría ser que nuestro mundo estuviese regido por una teoría cuántica con números reales, en cuyo caso no haría falta manejar funciones de onda complejas. Los experimentos han demostrado que ese no es el caso.
No sabemos qué tipo de teoría describe nuestro universo, pero sí sabemos qué tipo de teoría no lo describe: una teoría cuántica con números reales
P. En conclusión, ¿se puede desechar la teoría cuántica con números reales?
R. Eso es lo que indican los experimentos. No sabemos qué tipo de teoría describe nuestro universo, pero sí sabemos qué tipo de teoría no lo describe: una teoría cuántica con números reales.
P. Eso cierra un debate de decenas de años.
R. Efectivamente. Y es un debate importante. Hoy por hoy, solo se conocen tres clases de teorías físicas, digamos, plausibles: la física clásica, la física cuántica con números reales y la física cuántica estándar. La física clásica es una teoría muy razonable, tan razonable que Einstein se resistía a abandonarla. Desgraciadamente, la física clásica no describe nuestro mundo: esto se demostró en los experimentos de comunicación cuántica llevados a cabo en 2015 en Delft, Viena y Boulder. La física cuántica con números reales es también muy razonable; por eso Erwin Schrödinger, uno de los padres de la teoría cuántica, la abanderó en su momento. Los tres experimentos llevados a cabo durante el último año sugieren que, aunque razonable, la física cuántica con números reales tampoco describe nuestro mundo.
P. ¿Cuál es el siguiente paso?
P. El siguiente paso lógico sería diseñar y realizar un experimento que ni siquiera la física cuántica pudiera explicar. Esto es claramente imposible si nuestro mundo es cuántico. No obstante, aunque nuestro mundo no fuese cuántico y ese experimento existiese, no estoy seguro de cómo encontrarlo. El principal obstáculo es que, por el momento, los físicos no disponemos de una teoría alternativa a la física cuántica que nos guíe en el diseño de ese experimento final.
La física cuántica con números reales tampoco describe nuestro mundo
P. ¿Habrá en algún momento ordenadores cuánticos?
R. Quiero creer que sí, pero no creo que yo vaya a vivir para verlos: necesitarían o reducir mucho el ruido que tienen hoy en día o aumentar la cantidad de qubits (sistemas cuánticos elementales) para conseguir un ordenador cuántico funcional. Lo que sí que veo factible es construir un sistema cuántico muy complicado sobre el que se tenga cierto nivel de control y usarlo para estudiar o simular otros sistemas cuánticos que aún no sabemos controlar. Los sistemas cuánticos con muchas partículas no se pueden estudiar con un ordenador convencional. Existe una serie de trucos computacionales que dan una idea aproximada de cómo se comporta el sistema en la realidad, pero en ocasiones esos trucos fallan. Un simulador cuántico permitiría entender sistemas físicos de interés, diseñar medicinas y crear nuevos materiales superconductores.
P. Dice el físico coreano Jaewook Ahn que la computación cuántica es como el primer vuelo de los hermanos Wright: inicialmente no servía para nada, pero después ha terminado cambiando el mundo.
R. Soy un poco escéptico en esta cuestión, porque conozco la dificultad que realmente entraña construir uno de esos ordenadores. Pero puedo estar equivocado, y, de hecho, ya he perdido una apuesta al respecto: en 2015 aposté el equivalente a cincuenta euros en hamburguesas a que, para 2050, aún no tendríamos control de 50 qubits. Perdí la apuesta en 2019, cuando Google presentó su dispositivo Sycamore.
P. ¿Por qué hamburguesas?
R. Porque no sabíamos qué divisa se usaría en 2050.
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