La comprensión completa de muchas de las fuerzas más fundamentales en juego en nuestro mundo ha resultado ser resbaladiza. Un nuevo experimento realizado por un grupo de investigadores, incluido Daniel Jafferis del Departamento de Física de Harvard y colegas de Caltech, representa un pequeño paso en el avance de nuestra visión de la relación entre la gravedad, que da forma al universo, y la mecánica cuántica, el marco teórico que rige el movimiento e interacción de partículas subatómicas.
Durante más de 100 años, la descripción común de la gravedad se ha derivado de la teoría de la relatividad general de Albert Einstein: que la gravedad se relaciona con la curvatura del espacio-tiempo. En los últimos 25 años, los científicos han descubierto que existe una conexión íntima entre la gravedad y la mecánica cuántica. Entre estas conexiones se encuentran los agujeros de gusano, también conocidos como puentes o túneles del espacio, que Einstein describió en 1935 como pasajes a través del espacio-tiempo que podrían conectar dos agujeros negros.
El equipo de Jafferis ha realizado por primera vez un experimento basado en la computación cuántica actual para comprender la dinámica de los agujeros de gusano. “Es una simulación cuántica de un agujero de gusano extraordinariamente pequeño”, dijo Jafferis. «Antes de esto, no estaba claro con los dispositivos que tenemos ahora si uno podía hacerlo». La investigación fue publicada en Nature.
La teoría de la relatividad general de Einstein describió los agujeros de gusano como dos agujeros negros cuyos interiores están unidos, donde algo podría saltar en cada lado, encontrarse en el medio, pero ninguno podría volver a salir: la trampa proverbial en un agujero negro.
“Es una hermosa idea de la década de 1930 que se unen los interiores de los agujeros de gusano, pero no se sabe si este concepto es una declaración significativa desde el punto de vista operativo”, dijo Jafferis. “Pero ahora sabemos que la configuración del agujero de gusano sí tiene una interpretación física; corresponde a los dos agujeros negros separados en un espacio altamente entrelazado”.
En los últimos años, los científicos han construido dispositivos físicos como computadoras cuánticas para crear simulaciones en las que pueden manipular los entrelazamientos de estados cuánticos de forma controlada. El equipo de Jafferis quería ver si podían crear un modelo simplificado que emulara los aspectos gravitatorios de un agujero de gusano. ¿Podrían crear un sistema cuántico donde el patrón de entrelazamiento espacial sea estructuralmente del tipo correcto para que parezca enviar algo a través de un agujero de gusano?
En experimentos de laboratorio, los investigadores introdujeron una conexión entre los dos lados, haciendo transitable el agujero de gusano. Las señales podrían enviarse por un lado y pasar por el otro, tal vez no rápidamente, pero sin atascarse. En el lenguaje cuántico, esto se denomina «teletransportación cuántica», una forma de enviar información cuántica mediante el entrelazamiento compartido. “La información no se envía a través de la señal directa, sino de una manera más sutil que utiliza el entrelazamiento”, agregó Jafferis.
El equipo comenzó con un qubit, el tipo de espacio cuántico más simple, en un área de su dispositivo. Liberaron otros qubits en otro espacio enredado fijo dentro de la computadora para un total de nueve qubits. Luego, los dos espacios se mezclaron utilizando las operaciones de puerta de la computadora cuántica.
Luego, utilizaron operaciones de datos que interpretaron el sistema en evolución de acuerdo con ciertas dinámicas. El paso final fue mirar el qubit una vez que llegó al otro lado de la computadora. “Preguntamos si era igual al que enviamos o si se veía diferente”, dijo Jafferis. «Era el circuito cuántico más simple posible que pudimos crear para ver si podíamos simular la dinámica del agujero de gusano».
El objetivo final del equipo es conocer todos los detalles sobre la descripción gravitatoria de los sistemas cuánticos. “Sabemos cómo funciona eso a través de las matemáticas teóricas en casos limitados, pero no sabemos todas las respuestas”, dijo Jafferis. «Usar este sistema cuántico muy pequeño, lo vemos como un primer paso para hacer otros más grandes donde podamos descubrir más».
Esta investigación fue financiada por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de los Estados Unidos.