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Un algoritmo puede revelar si el estado cuántico es real

Madrid, Europa Press
21/feb/17 18:44 PM
eldia.es

Un físico británico ha creado un algoritmo para diseñar experimentos óptimos que podrían proporcionar la prueba más fuerte de que el estado cuántico es un estado de realidad y no de conocimiento.

Geogre C. Knee, físico teórico de la Universidad de Oxford y de la Universidad de Warwick, ha publicado un artículo sobre la nueva estrategia en la revista New Journal of Physics.

Mientras que los físicos han debatido sobre la naturaleza del estado cuántico desde los primeros días de la teoría cuántica (con Neils Bohr a favor de la interpretación óntica (estado de realidad) y Einstein a favor de la epistémica (estado de conocimiento), la mayoría de la evidencia moderna ha apoyado la opinión que el estado cuántico sí representa la realidad.

Filosóficamente, esta interpretación puede ser difícil de tragar, ya que significa que las muchas características contraintuitivas de la teoría cuántica son propiedades de la realidad, y no debidas a limitaciones de la teoría.

Una de las más notables de estas características es la superposición. Antes de medir un objeto cuántico, la teoría cuántica dice que el objeto existe simultáneamente en más de un estado, cada uno con una probabilidad particular. Si estos estados son ónticos, significa que una partícula realmente ocupa dos estados a la vez, no simplemente que aparece de esa manera debido a nuestra capacidad limitada de preparar partículas, como en la visión epistémica.

¿Qué se entiende exactamente por una capacidad limitada de preparar partículas? Para entender esto, Knee explica que diferentes estados cuánticos deben ser pensados como distribuciones sobre los posibles estados verdaderos de la realidad. Si hay alguna superposición entre estas distribuciones, entonces los estados de realidad en los que se puede preparar una partícula son limitados.

Actualmente no está claro si en realidad hay una superposición entre las distribuciones de estado cuántico. Si hay cero superposición, entonces la partícula realmente debe estar ocupando dos estados a la vez, que es la visión ontica. Por otra parte, si hay una cierta superposición, entonces es posible que la partícula exista en un estado en el área de superposición, y no podemos distinguir la diferencia entre las dos posibilidades debido a la superposición.

Esta es la visión epistémica, y elimina algo de la extraña superposición al explicar que la indistinguibilidad de dos estados es el resultado de la superposición (y la limitación humana) más que de la realidad.

Enmarcar la cuestión en términos de superposición ofrece una manera de probar las dos perspectivas. Si los físicos pueden demostrar que la indistinguibilidad de los estados cuánticos puede de alguna manera ser explicada por la realidad y no superponerse, entonces eso coloca restricciones más estrictas a la visión epistémica y hace que la visión ontica sea más plausible.

Una clave para tales pruebas es que la tarea de discriminar entre dos estados siempre tiene un pequeño error involucrado. Tener conocimiento completo y omnisciente sobre la realidad debe mejorar la discriminación. Pero, ¿por cuánto? Esta es la gran pregunta, y los físicos están tratando de demostrar que el valor de esta "mejora debida a la mayor realidad de los estados cuánticos" es muy grande.

Esto significaría que la superposición juega muy poco, si es que hay, papel en explicar por qué los estados son indistinguibles. No es simplemente que los físicos no puedan preparar con precisión el verdadero estado de la realidad, sino que la indistinguibilidad debe ser pensada como una propiedad fundamental de los estados cuánticos mismos.

Actualmente, los mejores datos experimentales muestran que la cantidad de mejora de errores que puede atribuirse a la superposición es de aproximadamente el 69%. En el nuevo artículo, Knee ha propuesto una manera de reducir este valor a menos del 50% con la tecnología actual. Como él explica, esto significaría que "la superposición está haciendo menos de la mitad del trabajo necesario para explicar la indistinguibilidad de los estados cuánticos no ortogonales".

"La mayor importancia de la obra es el nuevo conocimiento sobre cómo llevar a cabo experimentos que pueden mostrar la realidad del estado cuántico", dijo Knee a Phys.org.

"Los grandes premios son que los experimentadores ahora podrán hacer más con menos: es decir, hacer restricciones cada vez más estrictas a las posibles interpretaciones de la mecánica cuántica con menos recursos experimentales." Estos experimentos típicamente requieren esfuerzos heroicos, pero el progreso teórico debe significar que ahora son posibles con equipos más baratos y en menos tiempo".

Para lograr esta mejora, el trabajo de Knee aborda uno de los mayores retos en este tipo de pruebas, que es identificar los tipos de estados y medidas que optimizan la mejora de errores. Se trata de un problema de optimización de muy alta dimensión, con al menos 72 variables, es extremadamente difícil de resolver utilizando métodos de optimización convencionales.

Knee mostró que un enfoque mucho mejor a este tipo de problema de optimización es convertirlo en un problema que puede ser estudiado con métodos de programación convexa. Para buscar las mejores combinaciones de variables, aplicó técnicas de la teoría de optimización convexa, optimizando alternativamente una variable y luego la otra hasta que los valores óptimos de ambos convergen.

Esta estrategia asegura que los resultados son "parcialmente óptimos", lo que significa que ningún cambio en una sola de las variables podría proporcionar una mejor solución. Y no importa cuán óptimo sea el resultado, Knee explica que nunca será posible descartar la visión epistémica por completo.