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Los físicos observan la dinámica de los agujeros de gusano usando una computadora cuántica

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Por primera vez, los científicos han desarrollado un experimento cuántico que les permite estudiar la dinámica o el comportamiento de un agujero de gusano teórico especial. El experimento no ha creado un agujero de gusano (una ruptura en el espacio y el tiempo). Más bien, permite a los investigadores investigar las conexiones entre los agujeros de gusano teóricos y física cuántica, una predicción de la llamada gravedad cuántica. La gravedad cuántica se refiere a un conjunto de teorías que buscan conectar la gravedad con la física cuántica, dos descripciones fundamentales y bien estudiadas de la naturaleza que parecen inherentemente incompatibles entre sí.

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Obra de arte que representa un experimento cuántico que observa el comportamiento de un agujero de gusano atravesable. Crédito de la imagen: inqnet/A. Müller (Caltech)

«Encontramos un sistema cuántico que exhibe propiedades clave de un agujero de gusano gravitacional pero que es lo suficientemente pequeño para implementarlo en el hardware cuántico actual», dice María Espiropoulos, el investigador principal del programa de investigación Quantum Communication Channels for Fundamental Physics (QCCFP) de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. y profesor de Física Shang-Yi Ch’en en Caltech. “Este trabajo constituye un paso hacia un programa más amplio para probar la física de la gravedad cuántica utilizando una computadora cuántica. No sustituye a las pruebas directas de la gravedad cuántica de la misma manera que otros experimentos planificados que podrían usar la detección cuántica para investigar los efectos de la gravedad cuántica en el futuro. Aún así, ofrece un poderoso banco de pruebas para ejercitar las ideas de la gravedad cuántica”.

La investigación será publicada en la revista Naturaleza. Los primeros autores del estudio son Daniel Jafferis de la Universidad de Harvard, y Alexander Zlokapa (BS ’21), un exalumno de pregrado en Caltech que comenzó este proyecto para su tesis de licenciatura con Spiropulu, desde entonces se mudó a la escuela de posgrado en el MIT.

Los agujeros de gusano son puentes entre dos regiones remotas en el espacio-tiempo. No se han observado experimentalmente, pero los científicos han teorizado sobre su existencia y propiedades durante casi 100 años. En 1935, Albert Einstein y Nathan Rosen describieron los agujeros de gusano como túneles a través del tejido del espacio-tiempo mediante la teoría general de la relatividad de Einstein, que describe la gravedad como una curvatura del espacio-tiempo. Los investigadores llaman a los agujeros de gusano puentes de Einstein-Rosen por los dos físicos que los invocaron, mientras que el término «agujero de gusano» fue acuñado por el físico John Wheeler en la década de 1950.

La noción de que los agujeros de gusano y la física cuántica, específicamente el entrelazamiento (un fenómeno en el que dos partículas pueden permanecer conectadas a través de grandes distancias), pueden tener una conexión fue propuesta por primera vez en una investigación teórica por Juan Maldacena y Leonard Susskind en 2013. Los físicos especularon que los agujeros de gusano ( o “ER”) eran equivalentes a entrelazamiento (también conocido como “EPR” por Albert Einstein, Boris Podolsky [PhD ’28], y Nathan Rosen, quien propuso por primera vez el concepto). En esencia, este trabajo estableció un nuevo tipo de vínculo teórico entre los mundos de la gravedad y la física cuántica. “Fue una idea muy atrevida y poética”, dice Spiropulu sobre el trabajo ER = EPR.

Más tarde, en 2017, Jafferis y sus colegas Ping Gao y Aron Wall ampliaron la idea ER = EPR no solo a los agujeros de gusano, sino también a los agujeros de gusano atravesables. Los científicos inventaron un escenario en el que la energía repulsiva negativa mantiene abierto un agujero de gusano el tiempo suficiente para que algo pase de un extremo al otro. Los investigadores demostraron que esta descripción gravitacional de un agujero de gusano atravesable es equivalente a un proceso conocido como teletransportación cuántica. En la teletransportación cuántica, un protocolo demostrado experimentalmente a largas distancias a través de fibra óptica y por aire, la información se transporta a través del espacio utilizando los principios del entrelazamiento cuántico.

El presente trabajo explora la equivalencia de los agujeros de gusano con la teletransportación cuántica. El equipo dirigido por Caltech realizó los primeros experimentos que prueban la idea de que la información que viaja de un punto del espacio a otro puede describirse en el lenguaje de la gravedad (los agujeros de gusano) o en el lenguaje de la física cuántica (entrelazamiento cuántico).

Un hallazgo clave que inspiró posibles experimentos ocurrió en 2015, cuando Caltech’s Alexei Kitaev, el profesor Ronald y Maxine Linde de Física Teórica y Matemáticas, demostró que un sistema cuántico simple podría exhibir la misma dualidad descrita más tarde por Gao, Jafferis y Wall, de modo que la dinámica cuántica del modelo es equivalente a los efectos de la gravedad cuántica. Este modelo Sachdev-Ye-Kitaev, o SYK (llamado así por Kitaev, y Subir Sachdev y Jinwu Ye, otros dos investigadores que trabajaron en su desarrollo anteriormente) llevó a los investigadores a sugerir que algunas ideas teóricas sobre agujeros de gusano podrían estudiarse más profundamente haciendo experimentos en procesadores cuánticos.

Además de estas ideas, en 2019, Jafferis y Gao demostraron que al entrelazar dos modelos SYK, los investigadores deberían poder realizar la teletransportación de agujeros de gusano y, por lo tanto, producir y medir las propiedades dinámicas que se esperan de los agujeros de gusano atravesables.

En el nuevo estudio, el equipo de físicos realizó este tipo de experimento por primera vez. Utilizaron un modelo similar a SYK «bebé» preparado para preservar las propiedades gravitacionales, y observaron la dinámica del agujero de gusano en un dispositivo cuántico en Google, a saber, el procesador cuántico Sycamore. Para lograr esto, el equipo primero tuvo que reducir el modelo SYK a una forma simplificada, una hazaña que lograron utilizando herramientas de aprendizaje automático en computadoras convencionales.

“Empleamos técnicas de aprendizaje para encontrar y preparar un sistema cuántico simple similar a SYK que podría codificarse en las arquitecturas cuánticas actuales y que preservaría las propiedades gravitacionales”, dice Spiropulu. “En otras palabras, simplificamos la descripción microscópica del sistema cuántico SYK y estudiamos el modelo efectivo resultante que encontramos en el procesador cuántico. ¡Es curioso y sorprendente cómo la optimización de una característica del modelo preservó las otras métricas! Tenemos planes para realizar más pruebas para obtener mejores conocimientos sobre el modelo en sí”.

En el experimento, los investigadores insertaron un qubit, el equivalente cuántico de un bit en las computadoras convencionales basadas en silicio, en uno de sus sistemas similares a SYK y observaron que la información emerge del otro sistema. La información viajó de un sistema cuántico a otro a través de la teletransportación cuántica o, hablando en el lenguaje complementario de la gravedad, la información cuántica pasó a través del agujero de gusano atravesable.

“Realizamos una especie de teletransportación cuántica equivalente a un agujero de gusano transitable en la imagen de gravedad. Para hacer esto, tuvimos que simplificar el sistema cuántico al ejemplo más pequeño que conserva las características gravitatorias para poder implementarlo en el procesador cuántico Sycamore en Google”, dice Zlokapa.

La coautora Samantha Davis, estudiante de posgrado en Caltech, agrega: «Llevó mucho tiempo llegar a los resultados y nos sorprendimos con el resultado».

«La importancia a corto plazo de este tipo de experimento es que la perspectiva gravitacional proporciona una forma sencilla de comprender un fenómeno cuántico de muchas partículas que de otro modo sería misterioso», dice Juan Preskill, el profesor Richard P. Feynman de Física Teórica en Caltech y director del Instituto de Información y Materia Cuántica (IQIM). «Lo que encontré interesante sobre este nuevo experimento de Google es que, a través del aprendizaje automático, pudieron hacer que el sistema fuera lo suficientemente simple como para simularlo en una máquina cuántica existente y, al mismo tiempo, conservar una caricatura razonable de lo que predice la imagen de la gravitación».

En el estudio, los físicos informan sobre el comportamiento esperado de los agujeros de gusano tanto desde la perspectiva de la gravedad como desde la física cuántica. Por ejemplo, si bien la información cuántica se puede transmitir a través del dispositivo o teletransportarse de varias maneras, se demostró que el proceso experimental es equivalente, al menos en algunos aspectos, a lo que podría suceder si la información viajara a través de un agujero de gusano. Para hacer esto, el equipo intentó «abrir el agujero de gusano» usando pulsos de energía repulsiva negativa o la energía positiva opuesta. Observaron firmas clave de un agujero de gusano atravesable solo cuando se aplicó el equivalente de energía negativa, lo que es consistente con el comportamiento esperado de los agujeros de gusano.

“La alta fidelidad del procesador cuántico que usamos fue esencial”, dice Spiropulu. “Si las tasas de error fueran un 50 por ciento más altas, la señal se habría oscurecido por completo. ¡Si fueran la mitad tendríamos 10 veces la señal!”

En el futuro, los investigadores esperan extender este trabajo a circuitos cuánticos más complejos. Aunque todavía faltan años para las computadoras cuánticas de buena fe, el equipo planea continuar realizando experimentos de esta naturaleza en las plataformas de computación cuántica existentes.

“La relación entre el entrelazamiento cuántico, el espacio-tiempo y la gravedad cuántica es una de las cuestiones más importantes de la física fundamental y un área activa de investigación teórica”, dice Spiropulu. “Estamos entusiasmados de dar este pequeño paso para probar estas ideas en hardware cuántico y seguiremos adelante”.

Escrito por Whitney Clavin

Fuente: Caltech


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