La física cuántica puede ir en contra de la intuición humana –incluso la de un físico como Mario Krenn de la Universidad de Viena–. Esta cualidad contra-intuitiva hace que a los investigadores les sea difícil diseñar experimentos para explorar el campo. Ahora, para evitar trampas intuitivas, Krenn y sus colegas han ideado un programa informático que de manera autónoma diseña nuevos experimentos cuánticos que ellos mismos no podrían haber pensado.

La forma en que todas las partículas conocidas se comportan se puede explicar con la física cuántica. Una característica importante de esta rama de la física es que el mundo se convierte en un lugar difuso y extraño en su escala más pequeña. Por ejemplo, los átomos y otros bloques de construcción básicos del universo pueden existir en estados de flujo conocidos como superposiciones, lo que significa que aparentemente pueden estar ubicados en dos o más lugares al mismo tiempo, o girar en direcciones opuestas al mismo tiempo; y con el fenómeno del entrelazamiento cuántico, dos o más objetos pueden conectarse de tal manera que lo que le suceda a uno afecte instantáneamente al que esté vinculado, sin importar lo separados que estén en el universo.

La naturaleza surrealista de la física cuántica puede ser difícil de creer, incluso para los científicos. La analogía de superposición más famosa, el gato de Schrödinger, que presenta un gato que puede estar vivo y muerto a la vez, fue creada por Erwin Schrödinger con la intención de resaltar lo absurdo del concepto de superposición, no popularizarlo. Además, como es bien sabido, Einstein se rebeló en contra del concepto de entrelazamiento, que calificó de "acción fantasmal a distancia". Aún así numerosos experimentos han demostrado los fenómenos más extraños de la física cuántica durante décadas –por ejemplo, el asesor de Krenn, Anton Zeilinger ayudó a establecer el récord actual de 144 kilómetros de distancia de entrelazamiento, desde la Palma a Tenerife, en las Islas Canarias–.

 

Ilustración de una mano de robot haciendo un dibujo del diseño de un experimento cuántico. Crédito: Robert Fickler / Universidad de Viena

Krenn y sus colegas estaban teniendo problemas para generar una forma compleja de entrelazamiento donde tres entidades comparten tres propiedades. Después de semanas de conjeturas para producir los llamados estados Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) Krenn dice que se dio cuenta de que su intuición no estaba funcionando, "así que tal vez un enfoque más radical funcionaría".

La respuesta fue un programa al que Krenn llamó MELVIN. El software toma bloques de construcción comunes de los experimentos cuánticos, tales como espejos y hologramas, y virtualmente organiza estos elementos para encontrar configuraciones poco intuitivas que alcancen los objetivos que los investigadores deseen, como un estado cuántico específico. Una vez que encuentra un resultado que funciona, de forma automática simplifica el diseño e informa a los científicos. "Inicié el programa por la noche y a la mañana siguiente, después de unos pocos cientos de miles de ensayos diferentes, encontró una solución correcta", dice Krenn sobre su primer uso de MELVIN para encontrar los estados GHZ. "Pueden imaginar que ese fue un día muy emocionante". Los científicos detallaron sus hallazgos en línea el 4 de marzo en Physical Review Letters.

En otra prueba de MELVIN los investigadores encontraron que el programa podía tomar conjuntos de partículas entrelazadas y modificarlas de manera que intercambiasen entre ellas las propiedades, como la polarización, de una manera cíclica. Estas operaciones cíclicas podrían ser útiles en criptografía cuántica casi imposible de piratear, una de las principales aplicaciones potenciales futuras de la superposición y el entrelazamiento.

Los científicos añadieron que MELVIN inventó soluciones inesperadas que probablemente no habrían pensado por sí mismos. Por ejemplo, 50 de los 51 experimentos que el programa desarrolló para la producción de estados GHZ incluían hacer brillar un haz de luz entrelazada directamente sobre un detector que no interactuaba con otras haces y componentes del experimento. "Todavía me resulta muy difícil entender intuitivamente la solución final, a pesar de que puedo calcularlo perfectamente", dice Krenn.

MELVIN comienza barajando componentes aleatoriamente pero "tiene la capacidad de aprender de la experiencia", dice Krenn. "Eso significa que si encontró una buena solución, la almacena y se puede utilizar para las pruebas de seguimiento. Esto mejora su velocidad de manera significativa, en más de un orden de magnitud".

Sin embargo, al preguntar si los resultados de MELVIN son tan contrarios a la intuición o útiles a Nicolas Gisin, físico de la Universidad de Ginebra, que no participó en este estudio, dice: "no estoy impresionado". Y añade que "este artículo probablemente inicie un montón de debates".

Por el contrario, el físico cuántico Seth Lloyd del Instituto de Tecnología de Massachusetts, quien tampoco participó en esta investigación, pensó que MELVIN era una buena idea. "Es cierto que la naturaleza extraña de la mecánica cuántica puede hacer que sea difícil pensar ideas para experimentos", dice Lloyd. Aún así, tampoco encontró innovador a MELVIN, al comparar esta investigación con cómo los científicos han utilizado durante mucho tiempo las computadoras para simular las propiedades de los fármacos y otras moléculas antes de su fabricación. Sin embargo, "el método tiene el potencial de ayudar a generar estados cuánticos complejos que sean útiles", añade. "Sería genial si pudiesen encontrar nuevos estados con propiedades totalmente inesperadas".