Los marcos de referencia desde los cuales los observadores ven los eventos cuántico pueden tener múltiples lugares posibles a la vez, una visión con ramificaciones potencialmente importantes.
La naturaleza cuántica de los marcos de referencia puede incluso afectar el orden percibido de los acontecimientos.
Imagínete parado en una plataforma ferroviaria viendo pasar un carro. Una chica en el carro deja caer una bola roja brillante. Para ella, la pelota se cae directamente. Pero desde la plataforma, ves que la bola atraviesa un arco antes de golpear el piso del carro. Los dos observan el mismo evento, pero desde diferentes marcos de referencia: uno anclado al carro y el otro a la plataforma.
La idea de los marcos de referencia tiene una historia histórica en la física clásica: Isaac Newton, Galileo y Albert Einstein se apoyaron en ellos para sus estudios de movimiento. Un marco de referencia es esencialmente un sistema de coordenadas (una forma de especificar posiciones y tiempos en relación con algún punto cero, o "origin") que podría estar en movimiento. Einstein utilizó marcos de referencia para desarrollar sus teorías de la relatividad, que revelaron que el espacio y el tiempo no son fondos fijos para el universo, sino entidades elásticas que pueden estirarse, escrullar y warp.
Pero la física cuántica ha ignorado en su mayor parte los marcos de referencia. Alice y Bob, los observadores ficticio en muchos experimentos en física cuántica, suelen tener diferentes ubicaciones físicas, pero ellos se supone que tienen un marco de referencia común. Esto está cambiando. Los físicos cuántico se están dando cuenta de que no pueden ignorar el hecho de que el marco de referencia Alice está anclada (similar al carro o la plataforma) podría tener múltiples lugares posibles a la vez. O que el reloj que Bob está usando para medir el tiempo podría estar sujeto a la incertidumbre cuántica.
En el mundo cuántico, los marcos de referencia deben ser descritos por el formalismo de la teoría cuántica, dijo Renato Renner (abre una nueva pestaña), un físico teórico del Instituto Federal Suizo de Tecnología de Zúrich.
En un artículo de este año (abre una nueva pestaña), el físico Aslav Brukner (abre una nueva pestaña) en el Instituto de Optica Cuántica e Información Cuántica y la Universidad de Viena y colegas mostraron que los marcos de referencia cuánticos ponen una nueva perspectiva sobre fenómenos cuánticos de larga duración como la superposición y el enredo. Los hallazgos llevan a Renner a sospechar que los marcos de referencia cuánticos podrían ayudar a resolver algunas de las extrañas paradojas que surgen en experimentos de pensamiento cuántico.
Aslav Brukner, físico de la Universidad de Viena y director del Instituto de óptica cuántica e información cuántica, ha explorado marcos de referencia cuánticos en una gran cantidad de documentos recientes.
Cortesía de Magdalena Zych
Aún más ambiciosamente, Brukner y sus colegas esperan que pensar a través de la lógica de los marcos de referencia cuánticos pueda dar nuevas ideas sobre la gravedad cuántica, un programa de investigación que intenta llevar la gravedad al mismo red tanto teórica como las otras fuerzas fundamentales.
Con esta nueva incure en marcos de referencia cuántica, dijo Renner, "sólo estamos en el principio de algo muy grande".
Ubicaciones deslumbradas
La noción de marcos de referencia cuántica fue introducida por primera vez en 1984 ), pero varios grupos revivieron la idea (abre una nueva pestaña) alrededor de 2019, desencadenando una oleada de estudio reciente. Los argumentos nos desafían a cambiar la forma en que pensamos sobre dos propiedades cuánticas por excelencia: la superposición, donde un objeto puede estar simultáneamente en múltiples estados posibles, y el enredo, donde las partículas distintas comparten un solo estado cuántico, de tal manera que medir una de ellas determina instantáneamente el estado de la otra, independientemente de la distancia entre ellas.
Desde la izquierda: Luca Apadula, Anne-Catherine de la Hamette y Viktoria Kabel del Instituto de Optica Cuántica e Información Cuántica y la Universidad de Viena coledaron un estudio que muestra que la elección del marco de referencia afecta a los sistemas que parecen estar enredados o en superposiciones.
Para ver cómo, considere dos marcos de referencia; etiquetamoslos A y B. Digamos que el origen de As está anclado a un objeto cuántico que tiene probabilidades de encontrarse en varios lugares. Desde la perspectiva de B, la ubicación de Aé se mancha sobre alguna región. Pero desde la perspectiva de A, la distancia a B se mancha. Parece que B es el que está en una superposición.
Se pone mejor. Y si B también está anclado a un objeto cuántico que se encuentra en una superposición de dos ubicaciones? Entonces el estado cuántico de Aí se mancha ahora de dos maneras diferentes, dependiendo de las posibles ubicaciones de B. Porque la determinación del estado cuántico de B. determina el estado de As, A y B están ahora enredados.
En el ejemplo anterior, dos propiedades por excelencia de los sistemas cuántico - superposición y enredo - resultan depender del marco de referencia. El mensaje principal es que muchas de las propiedades que creemos que son muy importantes, y en cierto modo absolutas, son relacionales o relativas, dijo Anne-Catherine de la Hamette (abre una nueva pestaña), coautora del reciente trabajo.
Incluso el orden de los acontecimientos sucumbe a los rigores de los marcos de referencia cuánticos. Por ejemplo, de un marco de referencia, podríamos observar el clic de un detector que ocurre en un momento determinado. Pero desde un marco de referencia diferente, el clic podría terminar en una superposición de suceder antes y después de algún otro evento. Si observa el clic como sucede en algún momento en particular o como estar en una superposición de diferentes órdenes de eventos depende de la elección del marco de referencia.
Steppingstone a Gravity
Los investigadores esperan utilizar estas perspectivas cuánticas cambiantes para dar sentido a la naturaleza desconcertante de la gravedad. La relatividad general de Einstein, que es una teoría clásica de la gravedad, dice que la gravedad es la deformación de la tela del espacio-tiempo por un objeto masivo. Pero cómo se ciernerá el espacio-tiempo si el objeto en sí está en una superposición de dos ubicaciones? Es muy difícil de responder con la física cuántica y la gravedad habituales, dijo Viktoria Kabel (abre una nueva pestaña), un investigador en el grupo de Brukner y coautor del nuevo trabajo.
Cambiar a un marco de referencia cuyo origen está en una superposición, sin embargo, y el objeto masivo puede terminar en una ubicación definida. Ahora se hace posible calcular su campo gravitacional. Al encontrar un marco de referencia cuántico conveniente, podemos tomar un problema que no podemos resolver [y hacer] un problema para el que sólo podemos usar física estándar conocida para, dijo Kabel.
Tales cambios de perspectiva deberían ser útiles para analizar futuros experimentos que tienen como objetivo poner a masas extremadamente pequeñas en superposiciones. Por ejemplo, los físicos Chiara Marletto (abre una nueva pestaña) y Vlatko Vedral (abre una nueva pestaña) de la Universidad de Oxford han propuesto (abre una nueva pestaña) poniendo dos masas cada una en una superposición de dos lugares y luego estudiando cómo esto afecta a sus campos gravitacionales. Los crecientes intentos de describir formalmente los marcos de referencia cuántico podrían ayudar a dar sentido a estas investigaciones de la interacción entre la gravedad y la teoría cuántica, un escalón esencial para una teoría de la gravedad cuántica.
Renner cree que los marcos de referencia cuántico también pueden ser centrales para dilucidar los cimientos de la física cuántica. Hace unos años, él y su colega Daniela Frauchiger diseñaron un experimento de pensamiento cuántico que crea una contradicción lógica. La paradoja resultante parece implicar que los físicos deben renunciar al menos a una de las muchas nociones bien aceptadas sobre nuestro mundo, digamos, que la teoría cuántica es universal y se aplica tanto a los seres humanos como a los átomos.
Renner, sin embargo, ahora sospecha que la paradoja surge simplemente porque los físicos no han contabilizado cuidadosamente marcos de referencia. Nadie ha descubierto aún cómo reescribir este u otros experimentos de pensamiento usando marcos de referencia cuántica, pero hacerlo es muy probable que nos lleve a la solución de las paradojas, dijo.
No va a ser fácil, porque los marcos de referencia cuántico vienen con un montón de problemas sin resolver. Por ejemplo, con marcos de referencia clásicos, si cambias tu punto de vista de un marco a otro, esta transformación es reversible: puedes volver a tu punto de vista original. No está claro que esto sea universalmente posible actualmente con marcos de referencia cuántico.
Además, en este punto, no hay manera estándar de definir y traducir entre marcos de referencia cuánticos. Diferentes grupos de físicos tienen enfoques diferentes. Todos parecen razonables [a] la primera vista, pero no son equivalentes entre sí.
Eventualmente, sin embargo, los marcos de referencia cuántica podrían resultar esenciales para dar sentido al mundo cuántico.
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