La primera simulación cuántica de un agujero de gusano abre una nueva puerta para entender el universo

la primera simulación cuántica de un agujero de gusano abre una nueva puerta para entender el universo

Recreación del agujero negro Cygnus X-1.

La mecánica cuántica y la teoría de la relatividad son como Caín y Abel, dos hijos mal avenidos de la misma naturaleza, pero uno centrado en la materia a escalas subatómicas y el otro vinculado al mundo macroscópico. Ambas teorías son incompatibles, por lo que encontrar un punto de reconciliación es fundamental para entender la realidad física. Un paso en ese sentido se ha dado con la primera simulación cuántica de un agujero de gusano realizada con el procesador Google Sycamore, según publica este miércoles Nature. Con este experimento se ha observado, según Maria Spiropulo, física del Instituto de Tecnología de California (Caltech) y una de las autoras del trabajo, “que las propiedades de un sistema cuántico coinciden con lo que se espera en un sistema gravitacional”, un hallazgo que permite avanzar en el estudio de los agujeros negros y de la hipótesis de la gravedad cuántica en el laboratorio usando ordenadores basados en esta mecánica. Una nueva puerta para entender el universo.

Un agujero de gusano, también conocido como puente de Einstein-Rosen, es un atajo a través del espacio y el tiempo, como si entre dos galaxias a años luz de distancia hubiera un camino corto. Según se ha demostrado teóricamente, este atajo puede generarse cuando se crean dos agujeros negros entrelazados. El agujero de gusano sería semejante a dos embudos unidos por la boca más pequeña y con los agujeros negros en los extremos más abiertos.

Sin embargo, al revés de lo que se refleja en las películas de ciencia ficción, este atajo en el espacio no puede usarse por sí solo para transmitir información. El problema es que, si se lanza cualquier objeto o mensaje por él, nunca llega al otro extremo, ya que el agujero se estira y se estrecha. De hecho, el objeto termina destruido en una singularidad central, como es habitual al entrar en un agujero negro, que no deja pasar ni la luz. Sin embargo, si entre dos observadores situados en los extremos del agujero de gusano se establece una interacción convencional (que se transmite a la velocidad de la luz), el agujero se abre de forma que sí puede ser atravesado.

Este fenómeno no se puede observar experimentalmente, ya que no es factible crear dos agujeros negros entrelazados en un laboratorio. Sin embargo, sí es posible estudiar el “equivalente holográfico” de este proceso, uno de los logros del estudio publicado hoy.

Alberto Casas, profesor de Investigación del CSIC en el Instituto de Física Teórica (CSIC-UAM) y autor de La revolución cuántica (Ediciones B, 2022), lo simplifica para hacerlo comprensible. “Es como una lata cilíndrica. Dentro hay tres dimensiones, pero los extremos son bidimensionales, planos. Todo lo que sucede en el interior, con gravedad, tiene un reflejo o se puede ver en las tapas, donde no hay gravedad”. Es lo que se llama principio holográfico, que se sospecha que se ha de cumplir en una teoría de gravedad cuántica consistente y por el cual, según explica Casas, “lo que sucede en una teoría con gravedad tiene un equivalente en una teoría sin ella y con una dimensión menos”. Concretamente, el agujero de gusano en la teoría con gravedad sería visto como un sistema entrelazado cuánticamente en la teoría sin ella. Y la transmisión de información a través del agujero de gusano sería visto como un fenómeno semejante a la teleportación cuántica en la teoría sin gravedad.

Este es en esencia el trabajo publicado este miércoles. “Los autores han creado un sistema entrelazado entre dos partes de un ordenador cuántico, cuyo equivalente holográfico es un agujero de gusano. Y han verificado que se produce una transmisión de información entre esas partes a través de esa especie de teleportación cuántica, mimetizando exactamente lo que sucedería a través del agujero de gusano equivalente”, aclara Casas.

la primera simulación cuántica de un agujero de gusano abre una nueva puerta para entender el universo

Representación del agujero de gusano simulado cuánticamente.

El fenómeno es muy llamativo, ya que el mensaje escrito por Alice [nombre utilizado en física cuántica para definir a un emisor] parece perderse de forma irremediable en el seno del primer subsistema, pero poco después reaparece íntegro en el subsistema de Bob [el receptor del mensaje]. “Es como si Alice escribiera un mensaje en la superficie del agua. Aparentemente, se perdería en los movimientos de trillones de moléculas de agua, siendo imposible de recuperar. Sin embargo, podemos imaginar que, poco después, el mensaje reaparece íntegro en otro punto de la superficie líquida. Este comportamiento sorprendente es lo que realmente sucede entre los dos sistemas entrelazados que se han creado en este experimento. El asombroso fenómeno es en cierto modo más comprensible si pensamos en su equivalente holográfico: el mensaje escrito por Alice es tragado por el agujero de gusano y entregado en el extremo donde se encuentra Bob”, añade el autor de La revolución cuántica.

“Lo conseguido”, añade Casas, “es muy interesante porque con un ordenador más potente [en la simulación solo se han utilizado nueve cúbits] se podrían simular sistemas macroscópicos y estudiar los efectos de la gravedad cuántica en ellos”.

El estudio publicado en Nature admite que la simulación se podría haber realizado con computación convencional, pero la utilización del Google Sycamore añade un elemento fundamental. En este sentido, el Instituto de Tecnología de California resalta que la simulación completada con el ordenador de Google, “abre la posibilidad de hacer experimentos de gravedad cuántica en procesadores basados en esta física”, por lo que se multiplican las posibilidades de estudio de esta ciencia y de esta computación.

Del mismo modo opina Ignacio Cirac, director de la División de Teoría del Instituto Max-Planck de Óptica Cuántica en Garching (Alemania). “Los prototipos de ordenadores cuánticos existentes o los que se van a construir en el futuro próximo pueden convertirse en una herramienta clave para abordar cuestiones fundamentales. El experimento es todavía muy básico, pero es un paso importante. Este tipo de simulaciones pueden arrojar información de cómo se comportan los agujeros negros, en especial, cuando los estudiamos bajo la perspectiva de la física cuántica”, explica Cirac a Science Media Center (SMC).

Carlos Sabín, investigador Ramón y Cajal en el departamento de Física Teórica de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), también considera importante entender que en este experimento no se ha creado ningún agujero de gusano. “Estamos hablando de una analogía”, matiza. Pero destaca que el experimento supone crear “un diccionario que traduce lo que le sucede al cúbit real al lenguaje de lo que le ocurriría al cúbit simulado o virtual”. “Los autores”, añade Sabín también a SMC, “introducen técnicas que muestran cómo el experimento se podría extender de manera eficiente a un número más alto de cúbits, de manera que un experimento más allá de las capacidades de un ordenador convencional podría realizarse una vez que tengamos ordenadores cuánticos con probabilidades de error más bajas, lo cual se espera en los próximos años”. “En cualquier caso”, concluye el físico, “este experimento muestra que, incluso con unos pocos cúbits y las probabilidades de error actuales, los ordenadores cuánticos ya pueden hacer cosas interesantes”.

Adam R. Brown y Leonard Susskind, investigadores de Google y del departamento de Física Teórica en la Universidad de Standford (California) destacan en Nature la relevancia de la simulación del principio holográfico como “guía para combinar la mecánica cuántica y la relatividad general”, un aspecto buscado desde hace décadas para hallar una teoría que permita comprender la naturaleza. Y también resaltan la importancia de la transmisión de la información: “En la descripción no gravitacional, la aparición del mensaje no codificado en otro lado es una predicción inequívoca de la mecánica cuántica, pero es algo misteriosa. La sorpresa no es que el mensaje haya llegado de alguna forma, sino que haya llegado sin descifrar. Sin embargo, esto se entiende fácilmente a partir de la descripción gravitacional: el mensaje llega sin descifrar al otro lado porque ha atravesado el agujero de gusano”.

“Podríamos esperar que, en el futuro, se inventen técnicas de comunicación cuántica que sean demasiado difíciles de analizar por medios convencionales, pero que utilicen la dualidad holográfica como una poderosa herramienta de análisis y descubrimiento”, concluyen.

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