Hecho sorprendente: el efecto mariposa no funciona en el mundo cuántico

La teoría del caos afirma que un acontecimiento o circunstancia menor puede tener un gran impacto en la configuración de la trayectoria de un sistema grande y complejo en el futuro. Muchos conocen el llamado «efecto mariposa» por el relato de 1952 «El sonido del trueno», del escritor de ciencia ficción Ray Bradbury. En ella, un hombre que va al pasado profundo para cazar un tiranosaurio aplasta accidentalmente una mariposa con el pie. Cuando vuelve al presente, descubre que este acto aparentemente insignificante ha cambiado el curso de la historia, y no para bien.

A principios de los años 70, el meteorólogo y matemático Edward Norton Lorenz formuló el efecto mariposa en la ciencia y sentó las bases de la teoría del caos. En pocas palabras, esta teoría afirma que las condiciones iniciales influyen mucho en la evolución de los sistemas muy complejos. Según la metáfora de Lorenz, el batir de las alas de una mariposa en Brasil podría acabar provocando un tornado en Texas, que de otro modo no se habría producido. La implicación es que si pudiéramos retroceder y alterar el pasado aunque fuera ligeramente, surgiría otro futuro dentro del sistema. Al hacerlo, desaparecería el futuro que contiene nuestro presente.

El efecto mariposa funciona bien en nuestro mundo cotidiano, donde la física clásica describe sistemas por encima de la escala atómica. Pero en el mundo subatómico, donde reina la mecánica cuántica, se aplican otras -y muy extrañas- leyes y reglas. ¿Persiste allí el efecto mariposa? Y si no es así, ¿qué ocurre en su lugar?

Bin Yang y Nikolai Sinitsyn en su artículo en Physical Review Letters investigaron este aspecto de la mecánica cuántica cuando desarrollaron un nuevo método para proteger la información cuántica. Utilizando la propiedad del entrelazamiento cuántico, en la que los estados de dos qubits (bits cuánticos) vinculados dependen el uno del otro, buscaron una forma de hacerlos inmunes a los daños. Estos qubits podrían entonces ser totalmente recuperables, incluso si alguien intentara dañar o robar la información. Esta capacidad ayudará a proteger la información cuántica y también proporcionará una forma de ocultar datos.

Demostración del efecto mariposa: los parámetros iniciales de ambos objetos sólo difieren en un 0,01%.

Los científicos esperaban obtener un efecto mariposa en el mundo cuántico similar al de nuestro mundo macro. Esto parece razonable: cuando un sistema cuántico evoluciona a lo largo de mucho tiempo, las variables locales que describen un determinado cubito en sistemas enredados una vez gemelos acabarán teniendo valores muy diferentes; en otras palabras, el efecto mariposa funcionará.

En su experimento mental, Jan y Sinitsin recurrieron a los viejos amigos de cada teórico cuántico, Alice y Bob. El sistema que observaban evolucionó de forma compleja en función del tiempo, es decir, moviéndose esencialmente en ambas direcciones del tiempo. Así que, al principio, Alicia «escribe» información en un cubo en el presente y hace funcionar el sistema hacia atrás, simulando un viaje al pasado. En el pasado, Bob «lee» la información almacenada en el cubículo de Alice. Como la obtención de información sobre el qubit en el mundo cuántico cambia su estado, también cambia la propia información. Además, según las leyes de la dinámica cuántica, dicha adquisición de información destruye todas las conexiones cuánticas de este qubit con el resto de bits cuánticos.

Por lo tanto, es lógico suponer que si volvemos a ejecutar el sistema después de ese viaje al pasado, el presente en el que Alicia escribe información en el qubit y la devuelve a Bob debería cambiar significativamente. Esto significaría que Alicia no podría recuperar su información después del «nuevo regalo».

Pero eso no ocurrió.

Para comprobar el experimento mental, Yang y Sinitsin decidieron simularlo en un procesador cuántico IBM-Q real. Para simular el viaje en el tiempo, los científicos realizaron operaciones lógicas en qubits entrelazados en orden hacia delante y hacia atrás. Así, al principio enviaron todos los qubits «al pasado» realizando una cadena de operaciones lógicas sobre ellos, luego midieron el estado de un qubit destruyendo así su enredo, y después devolvieron los qubits «al presente» realizando las mismas operaciones en orden inverso.

Un ordenador cuántico IBM-Q que funciona con 20 qubits.

El resultado fue sorprendente: el qubit medido volvió casi al mismo estado en el que estaba antes de comenzar el experimento, más un poco de ruido de fondo. Es decir, como el estado inicial de todo el sistema era muy confuso, largas y complicadas operaciones lógicas en orden inverso restauraron la información perdida sobre el qubit medido.

Así, para su propia sorpresa, Jan y Sinitsyn no sólo refutaron el efecto mariposa en el sistema cuántico, sino que encontraron una especie de no efecto mariposa, como si el sistema quisiera proteger el presente.

Un fuerte entrelazamiento en el sentido cuántico significa que el sistema tenía originalmente dependencias cuánticas estables entre sus partes. Es decir, los qubits entrelazados, aunque tengan propiedades diferentes, en cierto sentido actúan como uno solo. Como resultado, incluso después de un cambio de información local, el entrelazamiento cuántico entre todos los qubits enredados pone una especie de protección en la dinámica cuántica del sistema, obligándole a restaurar las variables locales dañadas. Y cuanto más complejo sea el sistema enredado, más enredos cuánticos generará y más fiable será la «protección del presente».

Por cierto, este resultado «sin mariposa» ya tiene aplicaciones prácticas, por ejemplo, para probar los ordenadores cuánticos. Cuando no está claro si un ordenador cuántico utiliza realmente la mecánica cuántica para producir resultados -puede seguir basándose en la física clásica-, se puede utilizar el efecto de ausencia de mariposa para verificarlo, porque es puramente mecánico cuántico. Otra aplicación potencial es la seguridad de la información, ya que la evolución aleatoria de un sistema cuántico protegerá los datos cuando sean atacados cambiando los estados de algunos qubits del mismo.

En el futuro, Yang y Sinitsyn planean probar experimentalmente el efecto en un sistema cuántico físico real en el laboratorio (en lugar de en un ordenador cuántico), probablemente utilizando átomos ultrafríos que se comporten de forma cuántica. Esto permitirá demostrar el efecto en condiciones que puedan aplicarse al problema práctico de la protección de la información cuántica.

Aparte de estas aplicaciones prácticas, el no efecto mariposa plantea interesantes cuestiones sobre las diferencias entre la esfera cuántica y el mundo de la física clásica en el que vivimos mayoritariamente. La mayoría de los físicos creen que la mecánica cuántica es aplicable a las escalas que ya podemos observar, y de hecho suele dar las mismas predicciones que la física clásica.

Sin embargo, los físicos siguen intentando comprender cómo el mundo clásico emerge del mundo cuántico en nuestra vida cotidiana. La cuestión de hasta qué punto puede aplicarse el efecto mariposa en el mundo macroscópico que conocemos sigue abierta, al igual que hasta qué punto puede aplicarse el efecto mariposa clásico en el mundo cuántico. Los científicos esperan responder a estas preguntas en futuras investigaciones.