Nuestra comprensión del mundo se basa principalmente en las percepciones básicas, tales como que los sucesos se suceden en un orden definido. Tales órdenes definitivos son necesarios en el mundo macroscópico, para el cual se aplican las leyes de la física clásica. Al describir la naturaleza usando leyes físicas, los científicos suelen comenzar a partir de experiencias cotidianas.

Sin embargo, nuestra intuición habitual no se aplica al mundo cuántico. Los físicos se han dado cuenta recientemente de que la teoría cuántica incluso nos obliga a cuestionar conceptos innatos, tales como el orden en que ocurren las cosas.

Imagine, por ejemplo, una carrera entre dos amigos, Fernando y Lewis. En la vida cotidiana, el ganador es el primero en cruzar la meta. Por lo tanto, el sentido común dice que o Fernando gana, o Lewis gana, o llegan al mismo tiempo. Sin embargo, este razonamiento no siempre es aplicable en el mundo cuántico. De hecho, la mecánica cuántica permite que cada corredor gane y pierda en una carrera.

Un grupo de físicos ha logrado la primera verificación experimental de un orden causal indefinido en una superposición cuántica: cuando un objeto "posee simultáneamente" dos o más valores de una cantidad observable. De acuerdo con la investigación realizada en la Universidad de Viena, publicada en Science Advances, si se aplica un orden de operaciones diferente en cada trayecto, se puede utilizar para crear un orden de operaciones genuinamente indefinido.

Fernando podría llegar a la meta antes y después de Lewis en una superposición cuántica. Sin embargo, incluso si llevamos a cabo una carrera cuántica, ¿cómo podríamos verificar que ambos corredores ganaron en superposición? Parte del problema es que la mecánica cuántica dice que cuando observamos la carrera "se derrumba". Esto significa que sólo vemos a Fernando ganar o perder la carrera: no podemos ver la superposición.

El 'testigo causal'

Ahora, un grupo de físicos dirigidos por Philip Walther en la Universidad de Viena han implementado una nueva medida, llamada "testigo causal", que les permite ver a Fernando ganar y perder al mismo tiempo. Esta técnica de medición fue diseñada por el grupo de teoría de Caslav Brukner en la Academia Austriaca de Ciencias. Formalmente, un testigo causal es una herramienta matemática para determinar si es posible describir un experimento sin tener que recurrir a órdenes superpuestas.

Utilizando esta nueva herramienta, los físicos podían hacer algo más que simplemente ver a Fernando ganar y perder en superposición: fueron capaces de cuantificar el grado en que las dos situaciones realmente se superpusieron.

En lugar de realizar una carrera cuántica microscópica, los científicos superpusieron el orden en el que dos operaciones cuánticas actuaban sobre partículas de luz. En su experimento, los físicos colocaron fotones - partículas de luz - en una superposición de dos caminos diferentes. Cada ruta fue enrutada en órdenes diferentes a través de dos operaciones cuánticas diferentes. Aunque en el pasado el equipo había creado tal superposición de órdenes de operaciones cuánticas, previamente sólo podían verificar indirectamente la superposición.

Para implementar el testigo causal, los físicos necesitaban idear un esquema que les permitiera extraer información del interior de un proceso cuántico muy frágil sin destruirlo. Para ello, utilizaron otro sistema cuántico para elevar esencialmente una bandera cuando el fotón pasaba por una de las operaciones cuánticas.

Aunque esto todavía podría haber colapsado el sistema, los físicos encontraron un nuevo truco para medir el sistema cuántico adicional, manteniendo intacta la superposición. Su nueva técnica les permitió sólo extraer información sobre la superposición general, y no sobre el orden de las operaciones. A partir de esos resultados de medición, confirmaron que los fotones realmente habían pasado por ambas operaciones cuánticas en dos órdenes al mismo tiempo.

El hecho de que el orden de las operaciones cuánticas pueda ponerse en superposición cuántica abre un nuevo campo de juego para los estudios en mecánica cuántica. En el aspecto teórico, esto ya está indicado por un gran número de estudios y propuestas sobre el papel de las "relaciones causales" dentro de la mecánica cuántica.

Sin embargo, traducir estas propuestas en experimentos de laboratorio es un desafío. "Nuestra demostración experimental es un paso significativo en esta área, ya que demuestra cómo extraer información dentro de estos procesos sin alterar su naturaleza cuántica", dice en un comunicado Giulia Rubino, autora principal del estudio.

El siguiente objetivo del grupo es explotar nuevos avances tecnológicos para crear superposiciones de procesos más complejos. Esto les permitirá obtener una visión más profunda de la interacción entre las relaciones causales y la mecánica cuántica. Además, presenta una nueva ruta interesante para optimizar tareas incluso más allá de lo que es posible utilizando computadoras cuánticas estándar con un orden de operaciones fijo.