El experimento cuántico que simula una máquina del tiempo

Los físicos han simulado un fotón que interactúa con una versión anterior de sí mismo en un experimento que podría ayudar a reconciliar la mecánica cuántica y la relatividad

Una de las curiosidades de la relatividad general es que parece permitir viajes en el tiempo. Varios físicos han descubierto soluciones a las ecuaciones de campo de Einstein que contienen bucles que regresan al mismo punto en el espacio y el tiempo. Los físicos las llaman curvas temporales cerradas.

A primera vista, este tipo de máquinas del tiempo parecen dar lugar a todo tipo de problemas, como la paradoja del abuelo. Se trata de la situación en la que alguien viaja en el tiempo y mata a su abuelo, lo que significa que nunca podría haber nacido y entonces no podría haber vuelto a matar al abuelo.

Eso es extraño, así que los físicos han intentado encontrar maneras de prevenir estas paradojas. A principios de los años 90, por ejemplo, los cosmólogos mostraron que una bola de billar que entra en un agujero de gusano que lleva a una curva cerrada de tiempo siempre debe encontrarse con su yo más viejo saliendo del agujero de gusano. Lo que es más, en principio, la colisión resultante siempre evita que la bola entre en el agujero de gusano. En otras palabras, la bola de billar simplemente rebota en la entrada de una curva de tiempo cerrada.

Esto en cuanto a los objetos clásicos y el viaje en el tiempo. Pero ¿qué pasaría si una partícula cuántica entrara en una curva cerrada de tiempo? A principios de los años 90, el físico David Deutsch demostró que no sólo es posible, sino que sólo puede suceder de una manera que no permite la transmisión superlumínica de señales. La mecánica cuántica causa estragos en la causalidad, pero de una manera que es consistente con la relatividad, y así evita las paradojas del tipo del abuelo.

El resultado de Deutsch tiene implicaciones extraordinarias. Esto implica que se pueden utilizar curvas temporales cerradas para resolver problemas NP-completos en tiempo polinomial y para violar el principio de incertidumbre de Heisenberg.

Por lo que sabemos, nadie ha creado alguna vez una curva de tiempo cerrada de Deutsch. Así que es fácil imaginar que hasta que lo hagamos, nunca sabremos si las predicciones de Deutsch son ciertas. Pero hoy Martin Ringbauer y algunos compañeros de la Universidad de Queensland en Australia dicen que no es necesario crear una curva cerrada de tiempo para probar cómo se comporta.

En lugar de ello, estos tipos han creado un sistema cuántico que reproduce el comportamiento de un fotón que pasa a través de una curva de tiempo cerrada y que interactúa con su yo más viejo. En otras palabras, estos chicos han construido el simulador de una máquina del tiempo.

Eso no es tan descabellado como parece. Los físicos han sabido por mucho tiempo que se puede utilizar un sistema cuántico para simular otro. De hecho, un área emergente de la ciencia cuántica se dedica a esta práctica. «Aunque no se han descubierto curvas temporales cerradas hasta la fecha, la simulación cuántica, sin embargo, nos permite estudiar sus propiedades únicas y su comportamiento», dicen Ringbauer y compañía.

El sistema cuántico que quieren simular es fácil de describir. Se compone de un fotón que interactúa con una versión anterior del mismo. Eso es equivalente a un solo fotón que interactúa con otro atrapado en una curva de tiempo cerrada.

Esto resulta en volver sencillo de simular utilizando un par de fotones entrelazados. Estos son pares de fotones creados a partir de un solo fotón y así, por lo tanto, comparten la misma existencia en la forma de una función de onda.

Ringbauer y compañía envían estos fotones a través de un circuito óptico que les da estados de polarización arbitrarios, y luego les permite interferir cuando llegan a un divisor de haz parcialmente polarizante. Al establecer cuidadosamente los parámetros experimentales, este sistema entrelazado puede simular el comportamiento de un fotón interactuando con una versión anterior de sí mismo.

El resultado de esta interacción se puede determinar detectando el patrón de fotones que emerge del divisor de haz.

Los resultados producen una lectura interesante. Ringbauer y compañía dicen que pueden utilizar el sistema para distinguir entre estados cuánticos que son preparados en formas aparentemente idénticas, algo que no es posible de otro modo. También pueden utilizar el simulador de máquina de tiempo para separar estados cuánticos que normalmente son imposibles de distinguir.

Pero tal vez lo más importante es que todas sus observaciones son compatibles con la relatividad. En ningún momento el simulador de máquina del tiempo lleva a las paradojas del tipo la del abuelo, independientemente de los trucos que juegue con la causalidad. Eso es lo que Deutsch predijo.

Hay algunos pliegues curiosos en estos resultados también. Por ejemplo, Ringbauer y sus colegas dicen que las entradas cuánticas pueden cambiar la salida de una manera no lineal pero sólo para algunos montajes experimentales. En otras palabras, ellos pueden controlar la forma en que el experimento retuerce la causalidad, lo cual es una vía interesante para explorar hasta qué punto es posible distorsionar la causa y el efecto.

Este es un experimento fascinante que lleva a algunas nuevas formas tentadoras para investigar la relación entre la mecánica cuántica y la relatividad. Como Ringbauer y compañía concluyen: «Nuestro estudio del modelo Deutsch proporciona información detallada sobre el papel de las estructuras causales y las no linealidades en la mecánica cuántica, que es esencial para una eventual reconciliación con la relatividad general.»

 

 

Hay mucho más trabajo que hacer aquí, incluso antes de poner en marcha su Delorean. Vale observarlo.

Ref: arxiv.org/abs/1501.05014: Experimental Simulation of Closed Timelike Curves

Fuente: The Physics arXiv Blog. Aportado por Eduardo J. Carletti

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