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Se ha utilizado una computadora cuántica para simular un agujero de gusano holográfico por primera vez. En este caso, la palabra "holográfico" indica una forma de simplificar los problemas de física que involucran tanto la mecánica cuántica como la gravedad, no un holograma literal, por lo que simulaciones como esta podrían ayudarnos a comprender cómo combinar esos dos conceptos en una teoría de la gravedad cuántica, quizás el problema más difícil e importante de la física en este momento.
Tanto la mecánica cuántica, que gobierna lo muy pequeño, como la relatividad general, que describe la gravedad y lo muy grande, tienen un éxito extraordinario en sus respectivos campos, pero estas dos teorías fundamentales no encajan. Esta incompatibilidad es particularmente evidente en áreas donde deberían aplicarse ambas teorías, como dentro y alrededor de los agujeros negros.
Estas áreas son extraordinariamente complicadas, y ahí es donde entra en juego la holografía. Permite a los físicos crear un sistema menos complejo que es equivalente al original, similar a cómo un holograma bidimensional puede mostrar detalles tridimensionales.
Maria Spiropulu del Instituto de Tecnología de California y sus colegas utilizaron la computadora cuántica Sycamore de Google para simular un agujero de gusano holográfico, un túnel a través del espacio-tiempo con agujeros negros en cada extremo. Simularon un tipo de agujero de gusano a través del cual teóricamente podría pasar un mensaje, y examinaron el proceso por el cual dicho mensaje podría hacer ese viaje.
En un agujero de gusano real, ese viaje estaría mediado en gran medida por la gravedad, pero el agujero de gusano holográfico utiliza efectos cuánticos como sustituto de la gravedad para eliminar la relatividad de la ecuación y simplificar el sistema. Eso significa que cuando el mensaje pasa a través del agujero de gusano, en realidad está experimentando una teletransportación cuántica, un proceso mediante el cual se puede enviar información sobre estados cuánticos entre dos partículas distantes pero entrelazadas cuánticamente. Para esta simulación, el "mensaje" era una señal que contenía un estado cuántico: un qubit en una superposición de 1 y 0.
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| En un agujero de gusano real, ese viaje estaría mediado en gran medida por la gravedad, pero el agujero de gusano holográfico utiliza efectos cuánticos como sustituto de la gravedad. Imagen de Peace,love,happiness en Pixabay |
“La señal se codifica, se vuelve papilla, se convierte en caos, y luego se vuelve a armar y parece inmaculada en el otro lado”, dice Spiropulu. "Incluso en este pequeño sistema podríamos apuntalar el agujero de gusano y observar exactamente lo que esperábamos". Esto ocurre debido al entrelazamiento cuántico entre los dos agujeros negros, lo que permite que la información que cae en un extremo del agujero de gusano se conserve en el otro extremo. Ese proceso es parte de por qué una computadora cuántica es útil para este tipo de experimento.
La simulación usó solo nueve bits cuánticos, o qubits, por lo que tenía una resolución muy baja. Como una imagen de un pájaro tomada desde lejos, tenía la misma forma general que el objeto que representaba, pero la simulación tuvo que ajustarse cuidadosamente para mostrar las características de un agujero de gusano. “Si quieres ver esto como un agujero de gusano, hay una serie de paralelismos, pero definitivamente es una cuestión de interpretación”, dice Adam Brown, de la Universidad de Stanford en California, que no participó en este trabajo.
El uso de una computadora cuántica más poderosa podría ayudar a enfocar la imagen. "Esto es solo un agujero de gusano bebé, un primer paso para probar las teorías de la gravedad cuántica, y a medida que las computadoras cuánticas se amplían, tenemos que comenzar a usar sistemas cuánticos más grandes para intentar probar las ideas más grandes en la gravedad cuántica", dice Spiropulu.
Eso es crucial porque algunas teorías de la gravedad cuántica son difíciles o incluso imposibles de entender por completo utilizando solo la computación clásica. "Sabemos que la gravedad cuántica es muy confusa, puede ser muy difícil extraer predicciones de la teoría y el sueño sería hacer algo en una computadora cuántica que te diga cosas que aún no sabes sobre la gravedad cuántica", dice Brown. . "Esto no es eso: es una computadora cuántica muy pequeña, por lo que es completamente posible simular todo en una computadora portátil sin que el ventilador se encienda".
Pero la similitud de la simulación con un agujero de gusano real sugiere que es posible usar computadoras cuánticas para formular y probar ideas sobre la gravedad cuántica, y tal vez eventualmente comprenderla.
Referencia del diario: Nature, DOI: 10.1038/s41586-022-05424-3