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Científicos de la Universidad de Viena y de la Academia Austriaca de Ciencias han demostrado que es posible preservar plenamente la estructura matemática de la teoría cuántica en el límite macroscópico.
Una de las características más fundamentales de la física cuántica es la no localidad de Bell: el hecho de que las predicciones de la mecánica cuántica no pueden explicarse con ninguna teoría local (clásica). Esto tiene notables consecuencias conceptuales y aplicaciones de gran alcance en la información cuántica. Sin embargo, en nuestra experiencia cotidiana, los objetos macroscópicos parecen comportarse según las reglas de la física clásica, y las correlaciones que vemos son locales. ¿Es realmente así, o podemos cuestionar esta visión?
En un artículo publicado recientemente en Physical Review Letters, científicos de la Universidad de Viena y del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica (IQOQI) de la Academia Austriaca de Ciencias han demostrado que es posible preservar completamente la estructura matemática de la teoría cuántica en el límite macroscópico. Esto podría conducir a la observación de la no localidad cuántica a escala macroscópica.
Nuestra experiencia cotidiana nos dice que los sistemas macroscópicos obedecen a la física clásica. Por tanto, es natural esperar que la mecánica cuántica deba reproducir la mecánica clásica en el límite macroscópico. Esto se conoce como el principio de correspondencia, establecido por Bohr en 1920.
Un argumento sencillo para explicar esta transición de la mecánica cuántica a la mecánica clásica es el mecanismo de grano grueso: si las mediciones realizadas en sistemas macroscópicos tienen una resolución limitada y no pueden resolver las partículas microscópicas individuales, entonces los resultados se comportan de forma clásica. Este argumento, aplicado a las correlaciones (no locales) de Bell, conduce al principio de localidad macroscópica. Del mismo modo, las correlaciones cuánticas temporales se reducen a correlaciones clásicas (realismo macroscópico) y la contextualidad cuántica se reduce a la no contextualidad macroscópica.
Se creía firmemente que la transición de lo cuántico a lo clásico es universal, aunque faltaba una prueba general. Para ilustrar este punto, tomemos el ejemplo de la no localidad cuántica. Supongamos que tenemos dos observadores distantes, Alice y Bob, que quieren medir la fuerza de la correlación entre sus sistemas locales. Podemos imaginar una situación típica en la que Alice mide su pequeña partícula cuántica y Bob hace lo mismo con la suya y combinan sus resultados observacionales para calcular la correlación correspondiente.
Como sus resultados son intrínsecamente aleatorios (como ocurre siempre en los experimentos cuánticos), deben repetir el experimento un gran número de veces para encontrar la media de las correlaciones. El supuesto clave en este contexto es que cada ejecución del experimento debe repetirse exactamente en las mismas condiciones y de forma independiente de otras ejecuciones, lo que se conoce como el supuesto IID (independiente e idénticamente distribuido). Por ejemplo, al lanzar una moneda al azar, debemos asegurarnos de que cada lanzamiento es justo e imparcial, lo que da lugar a una probabilidad medida de (aproximadamente) el 50% de cara o cruz después de muchas repeticiones.
Esta suposición desempeña un papel central en las pruebas existentes para la reducción a la clasicidad en el límite macroscópico. Sin embargo, los experimentos macroscópicos consideran grupos de partículas cuánticas que están empaquetadas y se miden juntas con una resolución limitada (coarse-graining). Estas partículas interactúan entre sí, por lo que no es natural suponer que las correlaciones a nivel microscópico se distribuyan en unidades de pares independientes e idénticas. Si es así, ¿qué ocurre si abandonamos la suposición de IID? ¿Seguimos logrando la reducción a la física clásica en el límite de un gran número de partículas?
En su reciente trabajo, Miguel Gallego (Universidad de Viena) y Borivoje Dakić (Universidad de Viena e IQOQI) han demostrado que, sorprendentemente, las correlaciones cuánticas sobreviven en el límite macroscópico si las correlaciones no se distribuyen en IID a nivel de constituyentes microscópicos.
"La suposición de IID no es natural cuando se trata de un gran número de sistemas microscópicos. Las partículas cuánticas pequeñas interactúan fuertemente y las correlaciones cuánticas y el entrelazamiento se distribuyen por todas partes. Ante este escenario, revisamos los cálculos existentes y pudimos encontrar un comportamiento cuántico completo a escala macroscópica. Esto va completamente en contra del principio de correspondencia, y la transición a la clasicidad no tiene lugar", afirma Borivoje Dakić.
Al considerar los observables de fluctuación (desviaciones de los valores de expectativa) y una determinada clase de estados de muchos cuerpos enredados (estados no IID), los autores muestran que toda la estructura matemática de la teoría cuántica (por ejemplo, la regla de Born y el principio de superposición) se conserva en el límite. Esta propiedad, que denominan comportamiento cuántico macroscópico, les permite demostrar directamente que la no localidad de Bell es visible en el límite macroscópico.
"Es sorprendente tener reglas cuánticas a escala macroscópica. Sólo tenemos que medir las fluctuaciones, las desviaciones de los valores esperados, y veremos fenómenos cuánticos en sistemas macroscópicos. Creo que esto abre la puerta a nuevos experimentos y aplicaciones", afirma Miguel Gallego.
Fuentes, créditos y referencias:
“Macroscopically Nonlocal Quantum Correlations” by Miguel Gallego and Borivoje Dakić, 16 September 2021, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.120401