Esto no te esperabas
Pelota rompiendo una ventana
Esto no te esperabas: el mundo cuántico también está regido por la causalidad, como en nuestra realidad clásica. MIdjourney / Eugenio Fdz. - Pelota rompiendo una ventana
Publicado por Eugenio M. Fernández Aguilar
Físico, escritor y divulgador científico. Director de Muy Interesante Digital
Creado: 19.01.2025
Cuando pensamos en el mundo cuántico, es fácil asociarlo con fenómenos que desafían nuestra intuición: partículas que están en dos lugares a la vez, entrelazamiento que conecta eventos a distancias imposibles y, por supuesto, la aparente ausencia de un orden definido entre los eventos. Este último caso, conocido como orden causal indefinido, plantea una pregunta fascinante: ¿pueden dos eventos suceder sin que haya un antes o un después claro?
Tres investigaciones recientes, publicadas en Nature Reviews Physics, Physical Review Letters y Physical Review A, abordan este fenómeno desde una perspectiva innovadora. Lejos de eliminar las reglas de causa y efecto, estos estudios revelan que incluso en el mundo cuántico, la causalidad sigue siendo una estructura fundamental, aunque adaptada a un marco muy diferente al que conocemos. Vamos a descubrir qué nos cuentan estos trabajos sobre la conexión entre el espacio-tiempo clásico y los procesos cuánticos más exóticos.
¿Qué es el orden causal indefinido?
La idea del orden causal indefinido (ICO) suena, a primera vista, como un concepto sacado de la ciencia ficción. En este marco, no existe una secuencia fija entre dos eventos. Por ejemplo, un evento A no siempre ocurre antes o después del evento B; en cambio, ambos podrían ocurrir en superposición cuántica. Este fenómeno fue demostrado experimentalmente en el llamado "interruptor cuántico" (quantum switch), un sistema que coloca dos operaciones en un estado de superposición respecto a su orden.
Sin embargo, este concepto choca frontalmente con nuestra visión del mundo clásico, donde cada evento tiene un orden fijo. Según el trabajo de Vilasini y Renner, para que estos procesos cuánticos existan dentro de un marco clásico de espacio-tiempo, los sistemas involucrados no pueden estar completamente localizados. Es decir, partículas como los fotones o electrones no pueden considerarse ancladas en un punto fijo del espacio-tiempo, lo que implica una violación del concepto de localidad clásica.
La figura muestra cómo un proceso causal (M) puede descomponerse en un proceso más detallado (Mf) mediante un esquema de codificación (Enc) y decodificación (Dec). Esto asegura que la estructura causal del sistema original se mantiene incluso al nivel más fino de detalle, preservando las relaciones de causa y efecto. Fuente: Physical Review Letters
El papel de la aciclicidad en los procesos cuánticos
Un concepto fundamental en este debate es la diferencia entre estructuras cíclicas y acíclicas. Una estructura acíclica, como la que define nuestro espacio-tiempo, prohíbe que un evento ocurra antes y después de otro al mismo tiempo. Por el contrario, el orden causal indefinido es inherentemente cíclico, ya que las operaciones pueden "influirse mutuamente" sin un orden fijo.
El segundo resultado clave de los papers establece que cualquier proceso cuántico con orden causal indefinido puede representarse como un proceso acíclico equivalente a través de una técnica llamada "descomposición fina" (fine-graining). En palabras de los autores, esto se parece a observar cómo una relación cíclica, como la interacción entre el precio y la demanda de un producto, puede descomponerse en una secuencia temporal lógica: la demanda en un momento influye en el precio posterior, que a su vez afecta a la demanda más adelante.
Este descubrimiento tiene implicaciones importantes para los experimentos actuales, ya que sugiere que lo que hemos interpretado como estructuras cíclicas podría, en realidad, ser una ilusión creada por la falta de resolución en nuestras mediciones actuales.
En nuestra vida cotidiana estamos acostumbrados que cada efecto viene determinado por una causa. Fuente: Midjourney / Eugenio Fdz.
Experimentos y el interruptor cuántico
El "interruptor cuántico" es uno de los ejemplos más destacados de procesos con orden causal indefinido. En este experimento, un qubit de control decide el orden en el que dos operaciones actúan sobre un sistema objetivo. La superposición cuántica de estados en el qubit de control permite que ambas operaciones ocurran en órdenes opuestos simultáneamente.
Sin embargo, los trabajos de Vilasini y Renner arrojan dudas sobre la interpretación de estos experimentos. Aunque los resultados parecen indicar un orden causal indefinido, las limitaciones impuestas por el espacio-tiempo clásico sugieren que lo que realmente se observa es una simulación de dicho orden, no su implementación directa. Este matiz es crucial para distinguir entre procesos físicamente realizables y los que son meramente teóricos.
Por otra parte, estos resultados abren la puerta a una discusión más amplia sobre la relación entre la mecánica cuántica y la relatividad. En un espacio-tiempo donde las reglas clásicas dominan, los procesos cuánticos parecen necesitar ajustes o reinterpretaciones para encajar en este marco.
La figura ilustra cómo las estructuras causales pueden ser compatibles con el espacio-tiempo. Desde un flujo causal simple (a), pasando por una estructura cíclica (b), hasta una descomposición acíclica que explica físicamente la causalidad (c). Fuente: Physical Review Letters
Implicaciones futuras y la conexión con la gravedad cuántica
Si bien el orden causal indefinido ha demostrado ser útil para tareas como la comunicación sin ruido y la mejora de protocolos cuánticos, queda por resolver una pregunta fundamental: ¿cómo interactúan estos fenómenos con la gravedad cuántica? Los trabajos actuales se limitan al espacio-tiempo clásico, pero en un marco donde la gravedad y la mecánica cuántica se entrelacen, podrían surgir nuevos fenómenos que alteren estas conclusiones.
De hecho, uno de los desafíos futuros será identificar si existe una forma de "causalidad indefinida genuina" en estos escenarios o si, como sugieren Vilasini y Renner, todo puede reducirse finalmente a estructuras acíclicas. Este enfoque podría ofrecer nuevas perspectivas para experimentos en el límite entre la mecánica cuántica y la relatividad general.
Críticas y desafíos experimentales del orden causal indefinido
Aunque los experimentos relacionados con el orden causal indefinido (ICO) han generado gran entusiasmo por sus aplicaciones teóricas y prácticas, también han surgido críticas y desafíos que resaltan las limitaciones actuales de esta línea de investigación. Estas dificultades se centran en aspectos técnicos y conceptuales que aún deben resolverse para validar completamente el fenómeno en un marco experimental y físico.
Uno de los principales problemas es el llamado “problema de los eventos múltiples”, el cual surge debido a la ambigüedad en la asociación de eventos espacio-temporales con un orden causal bien definido. En los experimentos actuales, como los realizados con interruptores cuánticos, el fotón puede estar en superposición de dos trayectorias, lo que genera ambigüedad sobre en qué momento y lugar exactos ocurren los eventos. Esto lleva a la dificultad de identificar claramente un orden causal clásico en el marco del espacio-tiempo. Según los investigadores, esta falta de definición espacial y temporal cuestiona si los resultados observados representan un ICO genuino o una simulación basada en configuraciones experimentales específicas.
Otro punto crítico señalado es el uso múltiple de elementos ópticos en los experimentos. Algunos diseños, como los sistemas Mach-Zehnder modificados, requieren que los fotones pasen más de una vez por ciertos elementos ópticos. Esto complica el análisis causal, ya que introduce incertidumbre sobre si las operaciones son realmente independientes o están correlacionadas debido al uso repetido del equipo. Este factor ha llevado a debates sobre si los experimentos realmente implementan un orden causal indefinido o si simplemente generan resultados compatibles con una estructura causal tradicional.
Por otra parte, existe el desafío de la localización temporal de los eventos cuánticos. En sistemas donde los fotones se encuentran en superposición temporal, no es posible determinar con precisión en qué momento interactúan con los componentes del experimento. Esto ha llevado a algunos investigadores a argumentar que el ICO observado podría explicarse mediante incertidumbres temporales, en lugar de ser una propiedad fundamental del sistema. Por ejemplo, Goswami y sus colegas han demostrado cómo la incertidumbre temporal puede usarse de forma ventajosa en estos experimentos, pero al mismo tiempo, subrayan que esto no equivale necesariamente a un ICO puro.
A pesar de estas críticas, los defensores del ICO argumentan que estas limitaciones no deslegitiman el fenómeno, sino que ofrecen nuevas oportunidades para refinar los diseños experimentales. Resolver estos problemas no solo validaría la existencia del orden causal indefinido, sino que también podría ampliar su aplicabilidad en áreas como la comunicación cuántica y la computación.
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Referencias
V. Vilasini y R. Renner, Embedding cyclic causal structures in acyclic spacetimes: no-go results for indefinite causality, Physical Review A, vol. 110, 022227, 2024. DOI: 10.1103/PhysRevA.110.022227
V. Vilasini y R. Renner, Fundamental limits for realizing quantum processes in spacetime, Physical Review Letters, vol. 133, 080201, 2024. DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.080201
Rozema, L.A., Strömberg, T., Cao, H. et al. Experimental aspects of indefinite causal order in quantum mechanics. Nat Rev Phys 6, 483–499 (2024). https://doi.org/10.1038/s42254-024-00739-8
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