No violation on a generalisation of Leggett-Garg inequality and Bell-CHSH inequality with extended probability

Durante décadas, los físicos han intentado resolver un enigma silencioso pero profundo: ¿cómo es que el mundo extraño y difuso de lo muy pequeño se convierte en el mundo sólido y predecible que vemos cada día? En el reino de los átomos y los electrones, las cosas no se comportan como los objetos de nuestras mesas de cocina. Una partícula puede existir en múltiples estados a la vez, y medirla parece cambiar su realidad. Esta desconexión ha dado lugar a pruebas famosas, como la desigualdad Bell-CHSH y la desigualdad Leggett-Garg, que actúan como estrictos porteros. Estas pruebas están diseñadas para ver si un sistema sigue las reglas de la realidad clásica —donde las cosas tienen propiedades definidas independientemente de si las miramos o no— o si permanecen obstinadamente cuánticas. Durante mucho tiempo, la respuesta pareció clara: los sistemas cuánticos rompen estas reglas, demostrando que no pueden ser descritos por la lógica clásica.

Sin embargo, una nueva perspectiva sugiere que el problema podría no estar en el sistema cuántico en sí, sino en las herramientas matemáticas que utilizamos para describirlo. La probabilidad tradicional, la que se usa en la vida cotidiana y en la física estándar, insiste en que la probabilidad de que ocurra un evento debe ser un número entre cero y uno. No puede ser negativa. Pero en el mundo cuántico, los cálculos a veces requieren números que actúan como probabilidades negativas para que las matemáticas funcionen. Un equipo de investigadores de la Universidad de Naresuan en Tailandia ha propuesto una forma de cerrar esta brecha. Sugieren reemplazar las reglas estrictas de la probabilidad clásica con un concepto más amplio llamado "probabilidad extendida". Este enfoque permite que estos extraños valores negativos existan como una capa oculta de realidad bajo la superficie que observamos. Al hacer esto, han reescrito las reglas de las pruebas famosas, creando nuevas versiones que los sistemas cuánticos pueden superar sin despeinarse.

Los investigadores comenzaron analizando la desigualdad de Leggett-Garg, una prueba que comprueba si un solo sistema se comporta de manera consistente a lo largo del tiempo. En la visión clásica, un sistema debería tener un estado definido en cada momento, y medirlo no debería alterar ese estado. La mecánica cuántica suele fallar en esta prueba porque el acto de medir parece forzar al sistema a un nuevo estado, violando la idea de una realidad preexistente. El equipo de Tailandia tomó las ecuaciones de esta prueba y las sustituyó por su versión de probabilidad extendida. En este nuevo marco, la probabilidad de una secuencia de eventos puede incluir valores negativos, que actúan como un amortiguador contra las violaciones habituales. Cuando ejecutaron simulaciones utilizando estas nuevas matemáticas, los resultados fueron sorprendentes. El sistema cuántico ya no rompía las reglas. En su lugar, satisfacía perfectamente una versión generalizada de la desigualdad, independientemente de cómo se configuraran las mediciones.

Este éxito llevó a los autores a repensar qué significa que un sistema sea "real". Introdujeron la idea de "macrorealismo generalizado". En la vieja visión, un sistema es macrorealista solo si tiene un estado definido que podemos medir sin perturbarlo. En la nueva visión, un sistema puede considerarse real incluso si nunca lo medimos, siempre que posea propiedades definidas en esta capa subyacente de probabilidad extendida. Los investigadores argumentan que el sistema cuántico está siempre en un estado definido, pero nuestras herramientas clásicas son demasiado rudimentarias para verlo. La "perturbación" que solemos atribuir a la violación es en realidad una limitación del uso de un sistema de probabilidad que prohíbe los números negativos. Al permitir estos números, el sistema parece tener una historia consistente y no invasiva a la que simplemente no podíamos acceder antes.

El equipo aplicó la misma lógica a la desigualdad Bell-CHSH, que pone a prueba cómo dos partículas separadas están conectadas a través del espacio. Normalmente, si dos partículas están entrelazadas, medir una afecta instantáneamente a la otra, violando la idea clásica de localidad, que dice que lo que sucede aquí no puede afectar instantáneamente a algo que está lejos. Los investigadores construyeron una versión generalizada de esta prueba utilizando la probabilidad extendida. Al igual que con la prueba basada en el tiempo, el sistema cuántico superó la nueva desigualdad sin ninguna violación. Esto sugiere que las partículas pueden describirse como poseedoras de propiedades independientes y definidas en esta capa extendida, incluso cuando están lejos. La "acción fantasmal a distancia" que tanto molestaba a Einstein podría ser un artefacto de intentar forzar el comportamiento cuántico en una caja de probabilidad clásica.

Para dar sentido a esto, los autores se apoyan en un marco llamado "historias consistentes", que ve el universo no como una única línea temporal, sino como una colección de historias posibles. En este esquema, existen dos capas de la realidad. La capa profunda consiste en "historias no asentables", que son las posibilidades cuánticas completas y complejas descritas por la probabilidad extendida. Estas son las historias que no pueden ser observadas directamente. La capa superficial consiste en "historias asentables", que son los resultados específicos que realmente vemos cuando medimos algo. La transición de la capa profunda a la capa superficial ocurre a través de un proceso llamado decoherencia, donde la interferencia entre diferentes historias se cancela, dejando tras de sí las probabilidades positivas y limpias de la física clásica. Los investigadores proponen que las desigualdades generalizadas funcionan porque están mirando directamente la capa profunda, donde las reglas son diferentes, en lugar de forzar a la capa profunda a pretender que es la capa superficial.

El estudio no pretende haber resuelto el misterio de la mecánica cuántica por completo, ni sugiere que ahora podamos ver probabilidades negativas en nuestra vida cotidiana. En cambio, ofrece una demostración matemática de que, si aceptamos la probabilidad extendida como una descripción válida de la realidad subyacente, el conflicto entre el comportamiento cuántico y la intuición clásica desaparece. Las simulaciones muestran que los límites de las desigualdades se extienden naturalmente para acomodar el mundo cuántico, eliminando la necesidad de violaciones. Esto implica que el sistema cuántico no está "rompiendo" las leyes de la realidad; más bien, nuestras leyes clásicas son solo un caso especial y limitado de un conjunto más amplio de reglas. El trabajo sugiere que el camino para comprender cómo el mundo cuántico se convierte en el mundo clásico no reside en descartar la mecánica cuántica, sino en expandir nuestra definición de lo que puede ser una probabilidad.

Los hallazgos siguen siendo una propuesta teórica respaldada por simulaciones numéricas, no un experimento físico que se haya realizado en un laboratorio. Los investigadores han demostrado que las matemáticas funcionan y que las contradicciones desaparecen cuando se cambian las reglas. Reconocen que este enfoque requiere un cambio en cómo percibimos la medición y la realidad, alejándonos de la idea de que la observación crea el resultado. En su lugar, sugieren que el resultado existe en una forma más amplia y compleja antes de que miremos. Aunque la idea de la probabilidad negativa pueda parecer contraintuitiva, el artículo sostiene que es una herramienta necesaria para describir la capa fundamental de la naturaleza. Si esta visión se mantiene, significa que el universo es más consistente de lo que pensábamos, y que el extraño comportamiento de las partículas cuánticas es simplemente el reflejo de una realidad más profunda y flexible que apenas estamos empezando a mapear.