Nuevo marco teórico fija límites para la realización de procesos cuánticos en el espacio-tiempo

El teorema de Bell, el conocido marco teórico introducido por John Bell hace décadas, delinea los límites de los procesos físicos clásicos que surgen de principios relativistas de causalidad. Estos son principios arraigados en la teoría de la relatividad de Einstein, que dictan cómo operan la causa y el efecto en el universo.

Investigadores de Inria, la Universidad Grenoble Alpes y la ETH Zurich se propusieron recientemente investigar si tipos de límites similares también se aplican a los procesos cuánticos. Su papel, publicado en Cartas de revisión física (PRL), introduce nuevos teoremas que describen límites fundamentales que podrían limitar la realización de experimentos cuánticos en el espacio-tiempo de fondo clásico.

«La causalidad es fundamental para dar sentido al mundo, pero adopta formas diferentes dentro de dos de nuestras teorías físicas clave: la teoría cuántica y la relatividad general», dijo a Phys.org V. Vilasini, coautor del artículo.

«En la teoría cuántica, la causalidad se refiere a cómo fluye la información entre sistemas y operaciones, mientras que en la relatividad general está ligada a la estructura del espacio-tiempo mismo. Sorprendentemente, la teoría cuántica permite procesos con ‘orden causal indefinido’ (ICO) donde la secuencia de eventos puede existir en una superposición.»

Para comprender si los procesos ICO, procesos cuánticos en los que no existe una relación causal entre eventos secuenciales, pueden ocurrir físicamente, los investigadores primero deben conectar estos procesos con la noción relativista bien establecida de causalidad en el espacio-tiempo. Ésta fue la principal motivación detrás del reciente artículo de Vilasini y su colega Renato Renner.

«Desarrollamos un marco teórico que vincula los dos conceptos de causalidad de manera clara y consistente, con el objetivo de utilizar supuestos físicos mínimos», dijo Vilasini. «Esto nos permitió derivar teoremas generales de prohibición para cualquier experimento cuántico realizado en el espacio-tiempo clásico.

«Curiosamente, ya se han realizado varios experimentos sofisticados que sugieren un proceso de ICO, El ‘interruptor cuántico’ en el espacio-tiempo de Minkowski. La interpretación física de estos experimentos ha sido objeto de discusiones de larga data.

«Nuestro marco y resultados negativos también se aplican a estos experimentos y brindan una nueva perspectiva detallada sobre su interpretación y cómo la causalidad cuántica y relativista se puede conciliar en estos experimentos».

Junto con su reciente artículo en prlVilasini y Renner publicado un manuscrito más largo en Revisión física A. En este artículo más extenso, describen su formalismo con mayor detalle, incluidos los resultados adicionales que recopilaron.

«Nuestro prl «El artículo presenta dos teoremas prohibidos que describen límites fundamentales en las configuraciones del espacio-tiempo y posibles explicaciones causales para experimentos cuánticos en espacios-tiempo clásicos, que respetan la causalidad relativista (lo que implica que no hay señales más rápidas que la luz)», explicó Vilasini.

El primer teorema presentado por los investigadores muestra esencialmente que cualquier experimento destinado a realizar con éxito procesos ICO en el espacio-tiempo clásico requeriría que los sistemas de agentes de entrada y salida no estén localizados o «dispersos» en el espacio-tiempo.

Su segundo teorema, por otro lado, demuestra teóricamente que incluso si un proceso de ICO se realiza bajo las condiciones descritas por el primer teorema, «acercarse» a un nivel más fino revelaría un orden causal acíclico y bien definido.

«Para hacer una analogía: imaginemos una situación en la que la demanda y el precio de un producto parecen influirse mutuamente en un bucle», dijo Vilasini. «Tras una inspección más cercana, nos daríamos cuenta de que la demanda en un momento determinado influye en el precio en un momento posterior, lo que luego afecta a la demanda en un momento aún posterior, y así sucesivamente.

«Del mismo modo, en experimentos cuánticos en espacios-tiempos clásicos, mientras que ICO podría aparecer en un nivel ‘burdo’, un examen más detenido revelaría un proceso cuántico con un orden causal definido en la teoría de la información que encaja dentro de la causalidad del espacio-tiempo».

Normalmente, la investigación en física experimental se basa en teorías previamente introducidas y tiene como objetivo probar sus predicciones. Por el contrario, los experimentos de interruptor cuántico antes mencionados ya se realizaron hace años y han impulsado la búsqueda de mejores marcos teóricos para interpretarlos y comprenderlos plenamente.

«A pesar de nuestros resultados negativos, los experimentos ICO ya realizados siguen siendo fascinantes», dijo Vilasini. «Aunque estos experimentos pueden desentrañarse en un orden causal definido, existe la esperanza de que involucren un recurso cuántico distinto que no está presente en los escenarios clásicos, donde los grados de libertad espacial y temporal desempeñan un papel».

Los artículos recientes de este equipo de investigadores proponen un marco unificado que podría usarse para relacionar diferentes nociones de causalidad entre teorías cuánticas y relativistas, lo que podría permitir una reconciliación entre estas distintas teorías físicas.

Vilasini y Renner esperan que su marco teórico fomente nuevas colaboraciones interdisciplinarias centradas en la causalidad entre físicos especializados en el estudio de la mecánica cuántica y la relatividad general.

«La idea de estructuras causales detalladas introducida en nuestro trabajo es versátil: se puede aplicar independientemente de que exista o no un espacio-tiempo de fondo clásico; esto podría ofrecer nuevas técnicas para explorar la realización física de procesos cuánticos en escenarios más exóticos, como cuando se trata de relojes o varillas cuánticas, o en regímenes gravitacionales cuánticos donde la geometría del espacio-tiempo está sujeta a incertidumbre cuántica», dijo Vilasini.

En sus próximos estudios, Vilasini y sus colaboradores planean continuar basándose en su marco. En primer lugar, esperan abordar la cuestión abierta de qué clases de procesos ICO pueden realizarse físicamente en el espacio-tiempo.

«En un proyecto de seguimiento con Matthias Salzger (ahora con sede en el Centro Internacional de Teoría de Tecnologías Cuánticas, Gdansk), hemos ampliado nuestro marco para proporcionar una caracterización de estos procesos, sugiriendo que los procesos ICO más contrarios a la intuición, como los que violan las desigualdades causales, no pueden realizarse fielmente en espaciotiempos clásicos», afirmó Vilasini.

«En nuestros próximos estudios, sería intrigante investigar si nuestros teoremas de no ir todavía se mantienen en estos nuevos regímenes (posiblemente gravitacionales cuánticos) y determinar si una clase más amplia de procesos ICO se puede realizar allí. Por ejemplo, ¿hay ¿Una forma de certificar operativamente el no clasicismo de la geometría del espacio-tiempo, similar a cómo las violaciones de las desigualdades de Bell certifican el no clasicismo en las correlaciones?

«Aún más fundamental, ¿hay alguna manera de comprender cómo el espacio-tiempo o aspectos familiares del mismo pueden surgir de propiedades básicas de estructuras causales de la teoría de la información cuántica?»

En el futuro, Vilasini también planea investigar las posibles aplicaciones de su marco con Renner, para realizar el procesamiento de información dentro de un espacio-tiempo fijo. En otras palabras, le gustaría determinar si la «cuantidad» en la localización de sistemas podría aprovecharse para realizar o mejorar la comunicación, la computación y la criptografía cuánticas.

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