Investigadores del Caltech han simulado en un procesador cuántico un agujero de gusano holográfico. Aunque en este experimento no se creó ninguna ruptura del espacio-tiempo, representa un paso más hacia la posibilidad de estudiar la gravedad cuántica en laboratorio.
El primer informe conocido de una "simulación" cuántica de un agujero de gusano holográfico en un procesador cuántico se ha publicado en la revista Nature. La demostración, realizada con el procesador Google Sycamore, representa un paso importante hacia la posibilidad de estudiar la gravedad cuántica en un laboratorio.
La Relatividad General describe el mundo físico a altas energías o densidades de materia, por ejemplo, en objetos astrofísicos. La Mecánica Cuántica describe la materia a escalas atómicas y subatómicas.
La gravedad cuántica es una teoría física hipotética que describiría objetos en los que ambos casos son relevantes, como el interior de los agujeros negros. Sin embargo, la mecánica cuántica y la relatividad general son fundamentalmente incompatibles y, por lo tanto, no hay consenso sobre una teoría de la gravedad cuántica.
El principio holográfico es una forma de conectar diferentes teorías que podrían ayudar a reconciliar la mecánica cuántica y la relatividad general, explicando la relatividad como emergente de la física cuántica en un sistema físico restringido.
Los procesadores cuánticos se vuelven interesantes. CC BY-NC-ND
El primer informe conocido de una "simulación" cuántica de un agujero de gusano holográfico en un procesador cuántico se ha publicado en la revista Nature. La demostración, realizada con el procesador Google Sycamore, representa un paso importante hacia la posibilidad de estudiar la gravedad cuántica en un laboratorio.
La Relatividad General describe el mundo físico a altas energías o densidades de materia, por ejemplo, en objetos astrofísicos. La Mecánica Cuántica describe la materia a escalas atómicas y subatómicas.
La gravedad cuántica es una teoría física hipotética que describiría objetos en los que ambos casos son relevantes, como el interior de los agujeros negros. Sin embargo, la mecánica cuántica y la relatividad general son fundamentalmente incompatibles y, por lo tanto, no hay consenso sobre una teoría de la gravedad cuántica.
El principio holográfico es una forma de conectar diferentes teorías que podrían ayudar a reconciliar la mecánica cuántica y la relatividad general, explicando la relatividad como emergente de la física cuántica en un sistema físico restringido.
Los procesadores cuánticos se vuelven interesantes. CC BY-NC-ND
Simulación cuántica
Siguiendo este principio, Maria Spiropulu y sus colegas del Instituto de Tecnología de California (Caltech), diseñaron un sistema simple para simular un agujero de gusano holográfico, en el que las propiedades de un sistema cuántico adecuadamente diseñado coinciden con lo que se espera en un sistema gravitatorio.
La simulación cuántica se realiza utilizando un procesador cuántico, que consiste en un circuito de nueve cúbits, la unidad básica de la computación cuántica. Un cúbit teletransportado a través del procesador exhibe la misma dinámica que se esperaría de un cúbit al cruzar un agujero de gusano transitable.
Estos experimentos ofrecen una primera demostración de la posible viabilidad futura de usar ordenadores cuánticos para probar las teorías de la gravedad cuántica, según los investigadores.
Aclaran también que en este experimento no se creó ninguna ruptura del espacio-tiempo en el hardware del espacio físico.
Solamente se dedujo que un agujero de gusano atravesable había surgido basado en la información cuántica que se teletransportaba utilizando códigos cuánticos en el procesador cuántico.
Siguiendo este principio, Maria Spiropulu y sus colegas del Instituto de Tecnología de California (Caltech), diseñaron un sistema simple para simular un agujero de gusano holográfico, en el que las propiedades de un sistema cuántico adecuadamente diseñado coinciden con lo que se espera en un sistema gravitatorio.
La simulación cuántica se realiza utilizando un procesador cuántico, que consiste en un circuito de nueve cúbits, la unidad básica de la computación cuántica. Un cúbit teletransportado a través del procesador exhibe la misma dinámica que se esperaría de un cúbit al cruzar un agujero de gusano transitable.
Estos experimentos ofrecen una primera demostración de la posible viabilidad futura de usar ordenadores cuánticos para probar las teorías de la gravedad cuántica, según los investigadores.
Aclaran también que en este experimento no se creó ninguna ruptura del espacio-tiempo en el hardware del espacio físico.
Solamente se dedujo que un agujero de gusano atravesable había surgido basado en la información cuántica que se teletransportaba utilizando códigos cuánticos en el procesador cuántico.
Lo imposible se hace posible
Para comprender mejor este desarrollo, Carrlos Sabín, del Departamento de Física Teórica de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), explica que no tenemos una teoría cuántica de la gravedad y que hacer experimentos para comprobar las distintas alternativas (como la teoría de cuerdas) es muy difícil, por no decir imposible.
De ahí que en los últimos años haya interés en ciertas relaciones teóricas llamadas dualidades, en las que se establece una relación de equivalencia entre teorías cuánticas de la gravedad en determinados modelos de universos, por un lado, y modelos cuánticos sin gravedad, que son bien conocidos y se pueden estudiar en el laboratorio, por otro.
Dualidades experimentales
Añade Sabín que los autores de este nuevo trabajo han usado una de estas relaciones (dualidades) entre un agujero de gusano transitable en un cierto tipo de universo (por un lado), y una red de bits cuánticos (cúbits) por otro.
Los agujeros de gusano son muy apreciados en la ciencia ficción, porque son algo así como atajos en el espacio-tiempo que conectan dos puntos que, de otra manera, estarían muy alejados.
Hasta ahora no hemos visto ningún agujero de gusano en nuestro universo, pero, en principio, la Relatividad General permite su existencia. Hay buenos motivos para creer que una teoría cuántica de la gravedad debería descartar su existencia, según Sabín.
Solo una analogía
Es importante entender que en este experimento no se ha creado ningún agujero de gusano. Estamos hablando de una analogía, matiza también Sabín.
Según el modelo teórico usado por los autores, el teletransporte cuántico de un cúbit en la red de cúbits del laboratorio, es equivalente a que un cúbit atravesase un agujero de gusano en un cierto modelo de universo con gravedad: en este supuesto, algunas propiedades del cúbit en el laboratorio se pueden relacionar con las del cúbit del modelo que se simula.
En otras palabras, es como si hubiera un diccionario que me traduce lo que le sucede al cúbit real al lenguaje de lo que le ocurriría al cúbit simulado o virtual, explica Sabín.
Procesador cuántico
El experimento se ha relacionado en el procesador cuántico de Google, Sycamore, en el que hace unos años ya se afirmó haber alcanzado la llamada supremacía cuántica, es decir, cálculos imposibles de realizar por un ordenador clásico.
En este caso, no se han usado todas las posibilidades del procesador, ya que se han empleado solo nueve cúbits.
Como siempre que el número de cúbits es tan bajo, el experimento realizado se podría haber simulado también en un ordenador convencional, destaca Sabín.
Sin embargo, añade, los autores han introducido 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 pudiera realizarse una vez que tengamos ordenadores cuánticos con probabilidades de error más bajas, lo cual se espera en los próximos años.
Experimentos de gravedad
En cualquier caso, este experimento muestra que, incluso con unos pocos cúbits y las probabilidades de error actuales, los ordenadores cuánticos ya pueden hacer cosas interesantes, concluye Sabín.
Los autores de la nueva investigación explican al respecto en un comunicado del Caltech que esperan que las computadoras cuánticas realicen más "experimentos de gravedad" en el futuro.
Matizan asimismo que algunos de estos experimentos requieren computadoras cuánticas mucho más grandes o circuitos mucho más profundos, pero que otros son adecuados para la experimentación a corto plazo.
Fuente LEVANTE