Agujero de gusano simulado en computadora cuántica podría reforzar la teoría de que el universo es un holograma

El experimento cuántico realizado en la computadora Sycamore 2 de Google transfirió datos a través de dos agujeros negros simulados, agregando peso al principio holográfico del universo.

Los físicos han utilizado una computadora cuántica para simular el primer agujero de gusano holográfico y transportar información a través de él.

Este agujero de gusano «bebé», nacido en la computadora cuántica Sycamore 2 de Google, no se creó con la gravedad, sino mediante el entrelazamiento cuántico —la unión de dos partículas de tal manera que la medición de una afecta instantáneamente a la otra—. Al entrelazar qubits, o bits cuánticos, en minúsculos circuitos superconductores, los físicos pudieron crear un portal a través del cual se enviaba la información.

El experimento tiene el potencial de promover la hipótesis de que nuestro universo es un holograma unido por información cuántica.

«Este es un pequeño paso para interrogar la gravedad cuántica en el laboratorio», dijo en una conferencia de prensa Maria Spiropulu, física del Instituto de Tecnología de California y autora del estudio publicado esta semana en Nature. «Cuando vimos los datos, tuve un ataque de pánico. Estábamos saltando arriba y abajo, pero también tratando de mantenernos conectados a tierra».

Los agujeros de gusano son túneles hipotéticos a través del espacio-tiempo conectados por agujeros negros en cada extremo. En la naturaleza, la inmensa gravedad de los dos agujeros negros es lo que ayuda a crear las condiciones del agujero de gusano, pero el agujero de gusano simulado en el experimento es un poco diferente: es un modelo de juguete que se basa en un proceso llamado teletransportación cuántica para imitar dos agujeros negros y enviar la información a través del portal. Estos procesos parecen ser bastante distintos, pero según los autores, es posible que no tanto.

Variantes de lo «real»

Afortunadamente, los análogos de los agujeros negros en la computadora cuántica no son lo mismo que los monstruos que todo lo consumen y que acechan en el espacio. Pero los investigadores no están seguros de si podrían haber simulado una versión lo suficientemente fiel de los agujeros negros como para considerarlos variantes extrañas de lo real.

«Parece un pato, camina como un pato, grazna como un pato. Eso es lo que podemos decir en este momento», dijo el coautor Joseph Lykken, físico y subdirector de investigación de Fermilab. «Tenemos algo que, en términos de las propiedades que observamos, parece un agujero de gusano».

Las predicciones de Einstein

La idea de los agujeros de gusano surgió por primera vez del trabajo de Albert Einstein y su colega Nathan Rosen, quienes, en 1935, demostraron en un famoso artículo que la teoría de la relatividad general permitía unir agujeros negros en puentes que podían conectar grandes distancias.

La teoría fue un intento de ofrecer una explicación alternativa a los puntos en el espacio llamados singularidades, los núcleos de los agujeros negros donde la masa se ha concentrado infinitamente en un solo punto, creando un campo gravitacional tan poderoso que el espacio-tiempo se distorsiona hasta el infinito y las ecuaciones de Einstein colapsan. Si los agujeros de gusano existieran de alguna manera —razonaron Einstein y Rosen—, entonces la relatividad general se mantendría.

Un mes antes del famoso artículo de 1935, Einstein, Rosen y su colega Boris Podolsky habían escrito otro artículo. En esa investigación, hicieron una predicción que, a diferencia de su artículo posterior sobre la relatividad general, no pretendía reforzar la teoría cuántica, sino desacreditarla por sus ridículas implicaciones. Si las reglas de la mecánica cuántica fueran ciertas —esbozaron los físicos—, las propiedades de dos partículas podrían vincularse inextricablemente de tal manera que medir una afectaría instantáneamente a la otra, incluso si las dos estuvieran separadas por una enorme brecha. Einstein se burló del proceso, conocido ahora como entrelazamiento cuántico, llamándolo «acción espeluznante a distancia», pero desde entonces se ha observado y los físicos la usan comúnmente.

A pesar de haber producido estas dos predicciones innovadoras, la aversión de Einstein por la incertidumbre inherente y la rareza de la física cuántica podría haberlo cegado ante una idea vital: que las dos predicciones podrían, de hecho, estar conectadas. Al separar la relatividad general y la teoría cuántica, los físicos se han quedado sin comprensión de los reinos donde la gravedad y los efectos cuánticos chocan, como el interior de los agujeros negros o el punto infinitesimal en el que se concentró el universo en el momento del Big Bang.

Principio holográfico

Desde que Einstein llegó a este callejón sin salida, la búsqueda de dónde se juntan lo grande y lo pequeño —una teoría del todo— ha llevado a los físicos a proponer todo tipo de proposiciones coloridas. Una es el principio holográfico, que postula que todo el universo es una proyección holográfica en 3D de procesos que se desarrollan en una superficie remota en 2D.

Esta idea tiene sus raíces en el trabajo de Stephen Hawking en la década de 1970, que planteó la aparente paradoja de que si los agujeros negros en verdad irradiaban radiación de Hawking —radiación de partículas virtuales que surgían al azar cerca de los horizontes de sucesos— eventualmente se evaporarían, rompiendo una regla importante de mecánica cuántica: que la información no puede ser destruida.

Para resolver este problema, los defensores de la teoría de cuerdas, cuyo objetivo era reconciliar la mecánica cuántica y la relatividad, utilizaron observaciones de que la información contenida en un agujero negro estaba vinculada con el área de superficie 2D de su horizonte de eventos —el punto más allá del cual ni siquiera la luz puede escapar de su atracción gravitatoria—. Incluso la información sobre una estrella que colapsó en el agujero negro se tejió en fluctuaciones en la superficie de este horizonte, antes de codificarse en la radiación de Hawking y enviarse antes de la evaporación del agujero negro.

En la década de 1990, los físicos teóricos Leonard Susskind y Gerard ‘t Hooft se dieron cuenta de que la idea no tenía por qué quedarse ahí. Si toda la información de una estrella 3D pudiera representarse en un horizonte de eventos 2D, quizás para el universo —que tiene su propio horizonte en expansión— fuera el mismo: una proyección 3D de información 2D.

Desde esta perspectiva, las dos teorías inconexas de la relatividad general y la mecánica cuántica podrían no estar separadas en absoluto. La deformación gravitacional del espacio-tiempo, junto con todo lo demás que vemos, podría emerger como una proyección holográfica, brillando a partir de las interacciones de partículas diminutas en la superficie de menor dimensión de un horizonte remoto.

El experimento

Para poner a prueba estas ideas, los investigadores recurrieron a la computadora Sycamore 2 de Google, cargándola con un modelo básico de un universo holográfico simple que contenía dos agujeros negros entrelazados cuánticamente en cada extremo. Después de codificar un mensaje de entrada en el primer qubit, vieron que el mensaje se mezcló en un galimatías —un paralelo a ser tragado por el primer agujero negro—, antes de salir descifrado e intacto en el otro extremo, como si hubiera sido escupido por el segundo.

«La física que está ocurriendo aquí, en principio, es si tuviéramos dos computadoras cuánticas que estuvieran en diferentes lados de la Tierra, y si mejoráramos un poco esta tecnología, podríamos hacer un experimento muy similar donde la información cuántica desapareciera en nuestro laboratorio en Harvard y apareciera en el laboratorio de Caltech», explicó Lykken. «Eso sería más impresionante que lo que realmente hicimos en un solo chip. Pero en realidad, la física de la que estamos hablando aquí es la misma en ambos casos».

El aspecto sorprendente del truco del agujero de gusano no es que el mensaje se transmitiera de alguna forma, sino que salió completamente intacto y en el mismo orden en que entró —pista clave de que el experimento se estaba comportando como un agujero de gusano físico y que los agujeros de gusano físicos, a su vez, podría ser alimentado por entrelazamiento—.

Los investigadores notaron que la información atravesó una brecha minúscula, solo unos pocos factores más grande que la distancia más corta concebible en la naturaleza, la longitud de Planck. En el futuro, quieren diseñar experimentos de mayor complejidad, realizarlos en hardware más avanzado y enviar códigos a mayores distancias. Si bien pasar de enviar información a través de su agujero de gusano a enviar algo físico —como una partícula subatómica—, no requiere un gran salto teórico, sostienen que se necesitaría una densidad de qubits lo suficientemente grande como para crear un mini agujero negro real.

Fuente: Live Science. Edición: MP.