Las personas que dicen que las partículas pueden enredarse en el tiempo hoy en día parecen referirse principalmente al experimento descrito aquí: el equipo de física enreda los fotones que nunca coexistieron en el tiempo. En cierto sentido, esto es correcto, pero hay que tener cuidado con la terminología.
Un estado cuántico es en general una función que asigna valores de expectativa (promedios) a los observables, al tiempo que satisface ciertos requisitos de consistencia. De alguna manera, es más simple pensar en “observables con valores 0-1”, aquellos en los que el valor que uno mide siempre es 0 o 1. El valor esperado es entonces el mismo que la probabilidad de que la medición dé 1 en lugar de 0. Es equivalente para definir el estado como una función que proporciona valores de probabilidad de observables con valores de 0-1, satisfaciendo algunas condiciones de consistencia.
Hay algunas formas de usar el concepto de “estado” que generalmente se enseñan en los libros de texto sobre teoría cuántica, pero luego algunas más extrañas.
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Es bastante habitual referirse a estados cuánticos que están condicionados por eventos pasados. Supongamos que preparo un fotón en cierto estado cuántico. Los valores de expectativa que proporciona el estado son valores de expectativa, suponiendo que haya realizado con éxito la preparación. Dejamos de lado las cuestiones de interpretación. Si la interpretación de muchos mundos es verdadera, entonces hay otros mundos en los que no hice la preparación en absoluto, y el valor de expectativa incondicional para un observable es el valor promedio de todos los mundos. Pero eso es algo absurdo de lo que preocuparse cuando todo lo que hacemos es un simple experimento con un fotón. Si he preparado un fotón en un cierto estado polarizado verticalmente, hay varias formas de describir lo que supuestamente ha sucedido. Sin embargo, para fines experimentales, podemos suponer que está en ese estado.
El típico experimento cuántico se describe dando una configuración experimental que prepara un sistema cuántico, y luego una serie de observaciones realizadas. Uno repite el experimento muchas veces y observa los valores promedio de los observables. Esos valores promedio son los valores que nos interesan. Es algo natural, entonces, pensar que el estado del sistema es el estado que da esos valores promedio (donde el promedio se toma solo en los casos en que la preparación tuvo éxito). Por ejemplo, podría preparar un fotón en un estado polarizado verticalmente enviándolo a través de un filtro de polarización vertical y luego usándolo solo si pasa. No promedio ningún valor de los casos en que el fotón no pasa a través del filtro. Si un fotón pasa a través del filtro, ¿está el fotón “realmente” en el estado o el “estado” es solo un dispositivo de cálculo? Podemos preguntar eso en otro momento.
Una receta típica para aplicar la teoría le dice que condicione el estado en cada medición (en orden cronológico). Algunas personas han pensado que el estado realmente cambia instantáneamente a medida que se observa, pero eso es un arenque rojo. El punto es que podemos obtener las probabilidades correctas de esta manera. Supongamos que preparo un fotón polarizado verticalmente (pasándolo a través de un filtro polarizador vertical A), luego lo paso por un filtro B polarizado en un ángulo de 45 grados con respecto al primero, luego nuevamente a través de un filtro polarizador vertical C. La teoría habitual de la óptica dice que el fotón que pasó a través de A tiene una probabilidad de 1/2 de pasar a través de B. Si pasa a través de B, entonces tiene nuevamente una probabilidad de 1/2 de pasar a través de C.
Estas son todas las probabilidades condicionales. Uno calcula la probabilidad de que si pasa a través de A pasa a través de B, y la probabilidad de que si también pasa a través de B, también pasa a través de C. Los estados correspondientes del fotón (ya sea que corresponda a su estado real o no) el punto) se polarizan verticalmente después de pasar a través de A, y se polarizan diagonalmente después de pasar a través de B, porque esas son las que dan las probabilidades condicionales correctas para la próxima medición.
Uno no tiene que hacer las cosas de esta manera. Por un lado, la teoría es en realidad relativista a pesar de que no parece ser la forma en que la presentamos al principio. En realidad, no importa en qué orden hagamos el condicionamiento siempre y cuando para cada medición, ya hayamos condicionado todos los eventos en su pasado (en el sentido relativista de su cono de luz pasado). Si hago dos mediciones en una separación similar al espacio, entonces puedo fingir que una ocurrió primero y no hay diferencia en el resultado final. En particular, obtengo la misma predicción independientemente de qué marco de referencia utilizo (qué eje de tiempo utilizo).
Como un tipo de técnica aparte, ni siquiera tengo que condicionar las mediciones pasadas si estoy dispuesto a modelar el aparato que realiza la medición como parte del sistema cuántico (y en sí mismo enredarse con los fotones). Pero de alguna manera eso es una molestia y, por lo general, parece más fácil condicionar las mediciones en orden.
Todo esto hasta ahora es parte de lo que describí como métodos comunes de libros de texto para aplicar la teoría cuántica. Sin embargo, las personas a veces usan la idea del “estado cuántico” de maneras que uno no aprendió a esperar mientras aprendía la teoría cuántica (o al menos yo no). A veces las personas se refieren a estados “post-condicionados”, por ejemplo, que le dan los valores esperados de los observables condicionados a alguna medición que aún no se ha realizado. Esto parece un poco peculiar al principio, al menos para mí, pero si uno tiene cuidado de definir los términos correctamente, encontrará que el mismo marco matemático puede usarse también en este contexto. Sin embargo, uno se da cuenta de que puede conocer los resultados de mediciones pasadas, pero no conoce los resultados de mediciones futuras a menos que sean de alguna manera deterministas (predecibles a partir de observaciones ya realizadas).
Algunos de los resultados de física cuántica “más extraños” que uno lee, tampoco condicionan las mediciones tomadas en orden cronológico.
Si miras el diagrama en el equipo de Física enreda los fotones que nunca coexistieron en el tiempo, verás que se emiten cuatro fotones. Los fotones 2 y 3 se observan conjuntamente, y luego hablamos sobre el enredo entre los fotones 1 y 4. Cuando leí este artículo, tuve la impresión de que este experimento podría haber sido diseñado como una modificación de un experimento anterior algo más simple en el que estos Se hacen las mismas cosas, pero en un orden diferente. (Ya sea así como obtuvieron la idea o no, la dan como una forma de entender lo que hicieron).
En el experimento más simple, primero emitimos los cuatro fotones, luego medimos los fotones 2 y 3, y finalmente medimos los fotones 1 y 4. En el experimento más simple, es bastante natural que los fotones 1 y 4 se enreden antes de medirlos. La forma de aplicar la teoría cuántica en el libro de cocina nos diría qué estado usar para el estado de cuatro fotones justo después de que se hayan emitido los cuatro fotones. Luego, cuando observamos conjuntamente los fotones 2 y 3, podemos condicionar esa observación y obtener un estado para los fotones 1 y 4. Ese estado que obtenemos es un estado entrelazado. Luego nos dice las probabilidades de observaciones en los fotones 1 y 4 (dada la observación previa hecha de los fotones 2 y 3).
Eventualmente, se le ocurrió a alguien que la ordenación del tiempo de estos eventos podría reorganizarse, y (presumiblemente) obtener los mismos resultados. En particular, podríamos esperar para emitir los fotones 3 y 4 hasta que el fotón 1 haya sido medido (y destruido). De esa manera, el fotón 4 (que estaba enredado con el fotón 1) podría existir solo después del fotón 1- y, sin embargo, se observarían las mismas correlaciones. Eso es un poco funky.
Pero tenga en cuenta que hemos dejado de aplicar la teoría cuántica en la forma habitual de los libros de cocina. El “estado entrelazado” entre los fotones 1 y 4 es un dispositivo para darnos probabilidades de mediciones que hacemos en los fotones 1 y 4, condicionadas a la medición conjunta de 2 y 3 (que ocurre después de que el fotón 1 es absorbido) pero no a la medición del fotón 1 (que ocurre incluso antes de que exista el fotón 4).
¿Están los fotones 1 y 4 “realmente” enredados? Sí y no, pero “sí” solo si hemos hecho la condición de que estamos hablando de un “estado” de los fotones 1 y 4 que refleja la medición de los fotones 2 y 3, pero no del fotón 1, por supuesto.
Un estudiante poco imaginativo podría decir, en cambio, que esto es lo que sucedió: emitimos fotones 1 y 2, y luego medimos el fotón 1, en cuyo punto el fotón 2 inmediatamente cambia de estado de acuerdo con la medición (porque están enredados). Luego emitimos fotones 3 y 4 (que están enredados entre sí pero no con el fotón 2). Cuando medimos conjuntamente los fotones 2 y 3, y luego los destruimos, rompemos instantáneamente el enredo con el fotón 4, cuyo estado ahora se reduce. Luego, finalmente medimos el fotón 4. Si uno fuera un estudiante aprendiendo teoría cuántica, y uno de los ejercicios en el libro fuera predecir los resultados que se observarían en este experimento, esta sería la forma obvia de resolver el problema. Uno obtendría las mismas respuestas de esta manera. Las personas que piensan que la medición causa un colapso del estado físico presumiblemente generalmente piensan que esta descripción es precisa.
A veces siento que los artículos populares sobre física cuántica son un poco engañosos. Sin embargo, tengo algunos sentimientos encontrados. Puedo ver cómo los experimentadores encontrarían esto como un resultado interesante, y cómo los escritores científicos pensarían que también sería interesante para el público en general. Solo asegúrese de no interpretar en exceso lo que lee. La física cuántica es una de las cosas más sorprendentes de todas. Pero este resultado en particular no me parece un buen ejemplo de lo que lo hace sorprendente. Es más una observación divertida que algo especialmente paradójico. En particular, no hay razón para sospechar que causa y efecto puede retroceder en el tiempo aquí.
