En 1927, Werner Heisenberg formuló uno de los principios más importantes y desconcertantes de la física moderna: existe un límite fundamental para conocer simultáneamente determinadas propiedades de un sistema cuántico. Cuanto mayor es la precisión con la que puede predecirse una de ellas, mayor es la incertidumbre asociada a la otra. Durante casi un siglo, esta restricción ha condicionado nuestra manera de observar el universo microscópico y de diseñar instrumentos científicos extraordinariamente precisos.
Ahora, un grupo internacional encabezado por investigadores de la Universidad de Shanxi, en China, ha encontrado una manera de obtener estimaciones más precisas que las permitidas por el límite convencional de Heisenberg utilizando una estrategia aparentemente sencilla: mirar hacia atrás. Los físicos trabajaron con unos 52.000 millones de átomos de rubidio y combinaron mediciones realizadas antes y después de un instante determinado. El resultado permitió reducir aproximadamente un 20% la incertidumbre de sus estimaciones respecto al límite habitual.
La investigación, presentada el 5 de noviembre en arXiv, todavía no ha pasado por revisión por pares. Pero plantea una posibilidad fascinante: mejorar la precisión de futuras tecnologías cuánticas sin modificar las leyes fundamentales de la naturaleza.
Un experimento con 52.000 millones de átomos encontró una solución donde nadie esperaba: en las mediciones del futuro
El principio de incertidumbre establece que ciertas magnitudes físicas, como la posición y el momento de una partícula, no pueden presentar simultáneamente una precisión arbitraria. No se trata simplemente de una limitación tecnológica ni de un problema que pueda solucionarse fabricando instrumentos mejores. Es una característica de la mecánica cuántica que surge de las propiedades matemáticas de las magnitudes involucradas.
Sin embargo, los investigadores exploraron una distinción fundamental: no es lo mismo intentar predecir el resultado de una medición futura que reconstruir lo ocurrido en un momento anterior después de obtener información adicional. Esta segunda estrategia, conocida como retrodicción cuántica, permite aprovechar datos que todavía no estaban disponibles cuando ocurrió el fenómeno estudiado.
Para comprobarlo, Peiying Li y sus colaboradores prepararon una pequeña celda de vidrio con aproximadamente 51.700 millones de átomos de rubidio-87. Mediante luz láser, alinearon sus espines, una propiedad cuántica relacionada con el magnetismo, hasta conseguir que el conjunto se comportara como un oscilador colectivo. Posteriormente utilizaron otro haz luminoso para seguir continuamente dos variables equivalentes a la posición y el momento de ese oscilador.
El sistema funcionó durante aproximadamente 84 minutos. En lugar de utilizar exclusivamente la información recogida hasta cada instante, los científicos reconstruyeron sus estimaciones incorporando también las mediciones posteriores. La incertidumbre de ambas variables pudo situarse simultáneamente por debajo del límite habitual de predicción, con una mejora experimental equivalente a unos 1,01 decibelios respecto a esa referencia.
El resultado parece desafiar a Heisenberg, pero en realidad demuestra algo todavía más interesante sobre el tiempo
La explicación está en cómo se utiliza la información. Cuando un sistema cuántico se mide de manera convencional, sus incertidumbres deben respetar las relaciones establecidas por Heisenberg. Pero al reconstruir retrospectivamente el resultado de una medición, el observador puede combinar los datos anteriores y posteriores para reducir los errores de estimación. La información del futuro no modifica el pasado: simplemente permite interpretarlo con mayor precisión.
Esta diferencia es esencial. Los físicos no han demostrado que el principio de incertidumbre sea falso ni que sea posible conocer perfectamente dos propiedades incompatibles de una partícula. Lo que consiguieron fue mejorar sus predicciones retrospectivas utilizando un procedimiento estadístico que no está sujeto a las mismas restricciones que la descripción convencional del estado cuántico.
El trabajo también destaca por haber mantenido esa mejora durante un periodo prolongado de mediciones y por extenderla a distintas combinaciones de las variables del oscilador. Según los autores, el resultado podría orientar nuevos métodos de detección cuántica capaces de recuperar señales extremadamente débiles utilizando toda la información disponible.
Entre las aplicaciones potenciales figuran los relojes atómicos, los magnetómetros de alta precisión y determinados instrumentos empleados en la investigación de ondas gravitacionales. Estos sistemas deben distinguir señales diminutas del ruido cuántico y cualquier mejora en la estimación podría ayudar a perfeccionar su funcionamiento. No obstante, la técnica presenta una limitación importante: necesita datos posteriores al instante investigado, por lo que no proporciona automáticamente mediciones mejores en tiempo real.
Los investigadores también quieren examinar cómo combinar este procedimiento con el entrelazamiento cuántico, una propiedad que permite establecer correlaciones entre sistemas físicos. Por ahora, los resultados necesitan revisión independiente y nuevos experimentos antes de determinar su alcance tecnológico.
La conclusión, sin embargo, es extraordinaria. Durante casi un siglo, el principio de Heisenberg ha recordado a los científicos que la naturaleza impone límites a nuestras mediciones. Este experimento no ha conseguido romperlos, pero ha demostrado que podemos aprender mucho más sobre un instante del pasado cuando dejamos que el futuro nos proporcione información adicional.
