La primera simulaci¨®n cu¨¢ntica de un agujero de gusano abre una nueva puerta para entender el universo

La mec¨¢nica cu¨¢ntica y la teor¨ªa de la relatividad son como Ca¨ªn y Abel, dos hijos mal avenidos de la misma naturaleza, pero uno centrado en la materia a escalas subat¨®micas y el otro vinculado al mundo macrosc¨®pico. Ambas teor¨ªas son incompatibles, por lo que encontrar un punto de reconciliaci¨®n es fundamental para entender la realidad f¨ªsica. Un paso en ese sentido se ha dado con la primera simulaci¨®n cu¨¢ntica de un agujero de gusano realizada con el procesador Google Sycamore, seg¨²n publica este mi¨¦rcoles Nature. Con este experimento se ha observado, seg¨²n Maria Spiropulo, f¨ªsica del Instituto de Tecnolog¨ªa de California (Caltech) y una de las autoras del trabajo, ¡°que las propiedades de un sistema cu¨¢ntico 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 hip¨®tesis de la gravedad cu¨¢ntica en el laboratorio usando ordenadores basados en esta mec¨¢nica. Una nueva puerta para entender el universo.

Un agujero de gusano, tambi¨¦n conocido como puente de Einstein-Rosen, es un atajo a trav¨¦s del espacio y el tiempo, como si entre dos galaxias a a?os luz de distancia hubiera un camino corto. Seg¨²n se ha demostrado te¨®ricamente, este atajo puede generarse cuando se crean dos agujeros negros entrelazados. El agujero de gusano ser¨ªa semejante a dos embudos unidos por la boca m¨¢s peque?a y con los agujeros negros en los extremos m¨¢s abiertos.

Sin embargo, al rev¨¦s de lo que se refleja en las pel¨ªculas de ciencia ficci¨®n, este atajo en el espacio no puede usarse por s¨ª solo para transmitir informaci¨®n. El problema es que, si se lanza cualquier objeto o mensaje por ¨¦l, 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 interacci¨®n convencional (que se transmite a la velocidad de la luz), el agujero se abre de forma que s¨ª puede ser atravesado.

Este fen¨®meno no se puede observar experimentalmente, ya que no es factible crear dos agujeros negros entrelazados en un laboratorio. Sin embargo, s¨ª es posible estudiar el ¡°equivalente hologr¨¢fico¡± de este proceso, uno de los logros del estudio publicado hoy.

Alberto Casas, profesor de Investigaci¨®n del CSIC en el Instituto de F¨ªsica Te¨®rica (CSIC-UAM) y autor de La revoluci¨®n cu¨¢ntica (Ediciones B, 2022), lo simplifica para hacerlo comprensible. ¡°Es como una lata cil¨ªndrica. 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 hologr¨¢fico, que se sospecha que se ha de cumplir en una teor¨ªa de gravedad cu¨¢ntica consistente y por el cual, seg¨²n explica Casas, ¡°lo que sucede en una teor¨ªa con gravedad tiene un equivalente en una teor¨ªa sin ella y con una dimensi¨®n menos¡±. Concretamente, el agujero de gusano en la teor¨ªa con gravedad ser¨ªa visto como un sistema entrelazado cu¨¢nticamente en la teor¨ªa sin ella. Y la transmisi¨®n de informaci¨®n a trav¨¦s del agujero de gusano ser¨ªa visto como un fen¨®meno semejante a la teleportaci¨®n cu¨¢ntica en la teor¨ªa sin gravedad.

Este es en esencia el trabajo publicado este mi¨¦rcoles. ¡°Los autores han creado un sistema entrelazado entre dos partes de un ordenador cu¨¢ntico, cuyo equivalente hologr¨¢fico es un agujero de gusano. Y han verificado que se produce una transmisi¨®n de informaci¨®n entre esas partes a trav¨¦s de esa especie de teleportaci¨®n cu¨¢ntica, mimetizando exactamente lo que suceder¨ªa a trav¨¦s del agujero de gusano equivalente¡±, aclara Casas.

El fen¨®meno es muy llamativo, ya que el mensaje escrito por Alice [nombre utilizado en f¨ªsica cu¨¢ntica para definir a un emisor] parece perderse de forma irremediable en el seno del primer subsistema, pero poco despu¨¦s reaparece ¨ªntegro en el subsistema de Bob [el receptor del mensaje]. ¡°Es como si Alice escribiera un mensaje en la superficie del agua. Aparentemente, se perder¨ªa en los movimientos de trillones de mol¨¦culas de agua, siendo imposible de recuperar. Sin embargo, podemos imaginar que, poco despu¨¦s, el mensaje reaparece ¨ªntegro en otro punto de la superficie l¨ªquida. Este comportamiento sorprendente es lo que realmente sucede entre los dos sistemas entrelazados que se han creado en este experimento. El asombroso fen¨®meno es en cierto modo m¨¢s comprensible si pensamos en su equivalente hologr¨¢fico: el mensaje escrito por Alice es tragado por el agujero de gusano y entregado en el extremo donde se encuentra Bob¡±, a?ade el autor de La revoluci¨®n cu¨¢ntica.

¡°Lo conseguido¡±, a?ade Casas, ¡°es muy interesante porque con un ordenador m¨¢s potente [en la simulaci¨®n solo se han utilizado nueve c¨²bits] se podr¨ªan simular sistemas macrosc¨®picos y estudiar los efectos de la gravedad cu¨¢ntica en ellos¡±.

El estudio publicado en Nature admite que la simulaci¨®n se podr¨ªa haber realizado con computaci¨®n convencional, pero la utilizaci¨®n del Google Sycamore a?ade un elemento fundamental. En este sentido, el Instituto de Tecnolog¨ªa de California resalta que la simulaci¨®n completada con el ordenador de Google, ¡°abre la posibilidad de hacer experimentos de gravedad cu¨¢ntica en procesadores basados en esta f¨ªsica¡±, por lo que se multiplican las posibilidades de estudio de esta ciencia y de esta computaci¨®n.

Del mismo modo opina Ignacio Cirac, director de la Divisi¨®n de Teor¨ªa del Instituto Max-Planck de ?ptica Cu¨¢ntica en Garching (Alemania). ¡°Los prototipos de ordenadores cu¨¢nticos existentes o los que se van a construir en el futuro pr¨®ximo pueden convertirse en una herramienta clave para abordar cuestiones fundamentales. El experimento es todav¨ªa muy b¨¢sico, pero es un paso importante. Este tipo de simulaciones pueden arrojar informaci¨®n de c¨®mo se comportan los agujeros negros, en especial, cuando los estudiamos bajo la perspectiva de la f¨ªsica cu¨¢ntica¡±, explica Cirac a Science Media Center (SMC).

Carlos Sab¨ªn, investigador Ram¨®n y Cajal en el departamento de F¨ªsica Te¨®rica de la Universidad Aut¨®noma de Madrid (UAM), tambi¨¦n considera importante entender que en este experimento no se ha creado ning¨²n agujero de gusano. ¡°Estamos hablando de una analog¨ªa¡±, matiza. Pero destaca que el experimento supone crear ¡°un diccionario que traduce lo que le sucede al c¨²bit real al lenguaje de lo que le ocurrir¨ªa al c¨²bit simulado o virtual¡±. ¡°Los autores¡±, a?ade Sab¨ªn tambi¨¦n a SMC, ¡°introducen t¨¦cnicas que muestran c¨®mo el experimento se podr¨ªa extender de manera eficiente a un n¨²mero m¨¢s alto de c¨²bits, de manera que un experimento m¨¢s all¨¢ de las capacidades de un ordenador convencional podr¨ªa realizarse una vez que tengamos ordenadores cu¨¢nticos con probabilidades de error m¨¢s bajas, lo cual se espera en los pr¨®ximos a?os¡±. ¡°En cualquier caso¡±, concluye el f¨ªsico, ¡°este experimento muestra que, incluso con unos pocos c¨²bits y las probabilidades de error actuales, los ordenadores cu¨¢nticos ya pueden hacer cosas interesantes¡±.

Adam R. Brown y Leonard Susskind, investigadores de Google y del departamento de F¨ªsica Te¨®rica en la Universidad de Standford (California) destacan en Nature la relevancia de la simulaci¨®n del principio hologr¨¢fico como ¡°gu¨ªa para combinar la mec¨¢nica cu¨¢ntica y la relatividad general¡±, un aspecto buscado desde hace d¨¦cadas para hallar una teor¨ªa que permita comprender la naturaleza. Y tambi¨¦n resaltan la importancia de la transmisi¨®n de la informaci¨®n: ¡°En la descripci¨®n no gravitacional, la aparici¨®n del mensaje no codificado en otro lado es una predicci¨®n inequ¨ªvoca de la mec¨¢nica cu¨¢ntica, 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 f¨¢cilmente a partir de la descripci¨®n gravitacional: el mensaje llega sin descifrar al otro lado porque ha atravesado el agujero de gusano¡±.

¡°Podr¨ªamos esperar que, en el futuro, se inventen t¨¦cnicas de comunicaci¨®n cu¨¢ntica que sean demasiado dif¨ªciles de analizar por medios convencionales, pero que utilicen la dualidad hologr¨¢fica como una poderosa herramienta de an¨¢lisis y descubrimiento¡±, concluyen.

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