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Los aficionados a la ciencia ficción recordarán
cómo el personaje de Joseph Cooper, en la película Interestellar,
viaja a través de un agujero de gusano para romper el continuo
espacio-tiempo y acortar la duración de su periplo hacia una
distante galaxia en busca de planetas habitables. En nuestro
universo no se ha detectado ninguna de estas estructuras predichas
por Albert Einstein y Nathan Rosen en 1935, pero científicos
de Estados Unidos han conseguido realizar una primera “simulación”
de un agujero de gusano gravitacional, aunque –que nadie se
asuste– sin romper el espacio-tiempo. Para ello han utilizado
un prototipo de ordenador cuántico (y esto justifica en buena
medida la importancia de la noticia).
El hito se publica este miércoles en la revista
Nature. La demostración ha sido realizada usando el procesador
Google Sycamore y sus autores celebran este paso hacia la
posibilidad de estudiar la gravedad cuántica en el laboratorio.
Su trabajo explora la equivalencia de los agujeros de gusano
con el teletransporte cuántico, indagando en la idea de que
la información que viaja de un punto del espacio a otro puede
describirse tanto en el lenguaje de la gravedad (los agujeros
de gusano) como en el de la física cuántica (el entrelazamiento
cuántico).
Interpretación artística de un agujero de gusano
gravitacional transitable por información cuántica.
Para entender bien esto conviene recordar, como
hacen los investigadores en una nota de prensa, que la teoría
de la relatividad general –la de Albert Einstein– describe
el mundo físico a altas energías o densidades de materia,
por ejemplo, en objetos astrofísicos; mientras que la mecánica
cuántica –la de Max Planck– describe la materia a escala atómica
y subatómica. Sin embargo, la relatividad general y la mecánica
cuántica son fundamentalmente incompatibles, por lo que no
hay consenso sobre una teoría de la gravedad cuántica. La
teoría de la gravedad cuántica es un enfoque que reconciliaría
ambas perspectivas: describiría ciertos objetos físicos en
los que las dos visiones –la de Einstein y la de Planck– son
relevantes. Esos objetos son los agujeros negros, cuerpos
cósmicos con masas descomunales con una elevadísima fuerza
de gravedad, tanta que atrapan incluso los fotones que componen
la luz.
“Todo agujero negro tiene una región interior,
de la que nada puede escapar, y una región exterior, de la
que aún es posible escapar. Las dos regiones están delimitadas
por una superficie llamada horizonte de sucesos. Lo que Einstein
y Rosen observaron es que, en una teorización matemática de
un agujero negro, en realidad no hay una región exterior,
sino dos, y están conectadas a través de una especie de agujero
de gusano que ahora se conoce como puente Einstein-Rosen”,
señalan Adam R. Brown y Leonard Susskind (del Instituto de
Física Teórica de Stanford), en un comentario al artículo
de Nature. La idea de llamar 'agujero de gusano' al puente
Einstein-Rosen se le ocurrió en 1957 al físico estadonunidense
John Wheeler, quien usó la analogía de un gusano perforando
una manzana para llegar más rápido de un punto a otro de la
fruta.
Un agujero de gusano viene a ser un atajo entre
dos puntos.
Pero no se trata –continúan Brown y Susskind–
de un puente ordinario. Recuerdan que en la versión estudiada
por Einstein y Rosen es imposible viajar a través del agujero
de gusano desde una región exterior a la otra. Si dos personas
intentasen cruzar por ese puente desde extremos distintos,
no podrían llegar al otro lado, pero sí se encontrarían brevemente
en el centro. A esta descripción hay que sumar una propiedad
cuántica que Einstein consideraba una “inquietante acción
a distancia”, el llamado entrelazamiento cuántico. Se trata
de una propiedad de los sistemas cuánticos que les permite
estar vinculados, incluso cuando están separados por distancias
extremadamente largas.
Las dos regiones exteriores del agujero negro,
explican Brown y Susskind, están conectadas por una enorme
cantidad de entrelazamiento cuántico, y la incapacidad de
viajar de una región exterior a otra se entiende que es “holográficamente
dual a la incapacidad de utilizar el entrelazamiento para
enviar mensajes más rápidos que la velocidad de la luz”.
Lo que han hecho los investigadores es aplicar
el llamado ‘principio holográfico’, una idea que reconcilia
dos teorías (de ahí lo de ‘dual’). Este principio sostiene
que lo que sucede en un espacio tridimensional –como nuestro
universo– puede conocerse estudiando solamente lo que ocurre
en sus límites. Algo así como inferir lo que sucede dentro
de una habitación por aquello que percibimos en sus paredes
(o como si la habitación-universo no fuese más que el holograma
de sus paredes) El principio de dualidad holográfica serviría
así para reconciliar la mecánica cuántica y la relatividad
general, explicando las propiedades de la física relativista
–las paredes– como surgidas de la física cuántica –lo que
sucede dentro de la habitación–.
Siguiendo este principio, los investigadores
han diseñado un sistema cuántico sencillo para simular un
agujero de gusano holográfico, en el que sus propiedades coinciden
con las esperadas en un agujero de gusano gravitacional y,
ojo, transitable. Se trata, pues, de establecer una equivalencia
analógica entre el universo descrito por la física cuántica
y el que describe la física clásica.
Imagen del agujero negro Sagitario A*, en el
centro de la Vía Láctea.
La simulación se realiza con un ordenador que
consiste en un circuito de nueve unidades mínimas de información
cuántica, los llamados bits cuánticos o cúbits. Esas nueve
unidades constituyen un mensaje. Un cúbit teletransportado
a través del procesador muestra la misma dinámica que se esperaría
de un cúbit al cruzar un agujero de gusano transitable. En
este caso no hay atajos espacio temporales: el mensaje llega
‘al otro lado’ en el tiempo esperado. “Es importante entender
que en este experimento no se ha creado ningún agujero de
gusano. Estamos hablando de una analogía. 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 el sentido de que 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”, señala Carlos Sabín, investigador
investigador Ramón y Cajal en el departamento de Física Teórica
de la Universidad Autónoma de Madrid, al SMC España.
El SMC España quiere contribuir a que la ciencia
se cuente en los medios con contexto, fuentes expertas y la
mejor evidencia disponible. Porque solo así podremos mejorar
la calidad de la discusión pública sobre los numerosos temas
de actualidad que están ligados a la ciencia.
Los experimentos ofrecen una primera demostración
de la posible viabilidad futura del uso de ordenadores cuánticos
para probar las teorías de la gravedad cuántica, indican los
investigadores en una nota de prensa. Esa viabilidad es una
gran noticia para los físicos teóricos, que ven cómo se amplía
su capacidad de investigación. “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”, afirma Maria Spiropulu,
investigadora principal en el Instituto de Tecnología de California,
Caltech. En este sentido, Ignacio Cirac, director de la División
de Teoría del Instituto Max-Planck de Óptica Cuántica en Garching
(Alemania), afirma –también en declaraciones al SMC España–
que lo interesante del artículo es que muestra cómo los prototipos
de ordenadores cuánticos existentes o los que se van a construir
en el futuro próximo “pueden convertirse en una herramienta
clave para abordar cuestiones fundamentales”.
Este investigador matiza, sin embargo, que el
experimento que se presenta en el artículo es todavía “muy
básico” para poder responder esas cuestiones. “Por ejemplo,
el prototipo que utiliza no es más potente que los superordenadores
que tenemos a nuestra disposición. Aun así, es un paso importante
en esa dirección”. “La tecnología de los ordenadores cuánticos
avanza con rapidez, y otros laboratorios ya están tratando
de realizar agujeros de gusano holográficos atravesables en
plataformas diferentes a la utilizada por estos autores”,
señalan Adam R. Brown y Leonard Susskind en su comentario
al artículo de Nature. “Cabe esperar que, en el futuro, se
inventen técnicas de comunicación cuántica demasiado difíciles
de analizar por medios convencionales, pero que utilicen la
dualidad holográfica como una poderosa herramienta de análisis
y descubrimiento”, añaden.
El físico Hatim Salih, investigador de la Universidad
de Bristol en Reino Unido, elaboró recientemente el
primer modelo práctico para crear un agujero de gusano, un
atajo en el espacio y el tiempo que conecta dos sitios sin
importar la distancia que los separe. Para lograrlo será necesaria
una máquina nunca antes construida, la cual podría estar lista
en poco tiempo. Hasta ahora, se han propuesto diversas vías
para materializarlo a una escala que permita, por ejemplo,
enviar naves espaciales, pero todas exigen proezas logísticas
y tecnológicas inalcanzables para la humanidad, de momento.
Sin embargo, Salih y su equipo tienen un as
bajo la manga: construir un agujero de gusano a nivel cuántico,
donde se usen átomos para cruzar este atajo. Por supuesto,
no será tan simple como accionar un interruptor. Para llevar
a cabo este experimento, Salih tiene planeado ejecutar la
contraportación, un fenómeno cuántico que él mismo ha investigado
y desarrollado desde cero. El físico cuenta que todo comenzó
como un experimento mental hace 20 años. Desde entonces, ha
conseguido demostrar su viabilidad. En concreto, la contraportación
se produce cuando las propiedades de una partícula son transferidas
a otro lugar sin necesidad de un canal físico para transportar
esta información. En su más reciente artículo científico,
publicado en la revista Quantum Science and Technology, Salih
describe las "instrucciones" para realizar este proceso con
un átomo completo, de modo que funcione como un verdadero
atajo en el espacio-tiempo atravesado por la materia.
La contraportación permite que una partícula
se desintegre y se reconstituya en otro punto.
Para ejecutar la contraportación y hacer realidad
este hito científico, será necesario un nuevo tipo de computadora
cuántica que, según la investigación de Salih, se puede construir
"con la tecnología actual". "Afortunadamente, ya existen todos
los componentes (...) solo es cuestión de armar todo el sistema,
lo cual no es tan fácil como suena", señala.
Una computadora cuántica aprovecha las rarezas
de las partículas subatómicas, como los electrones y los fotones
(partículas de luz), que pueden estar en más de un estado
a la vez, lo que permite ejecutar innumerables operaciones
en tiempo récord. Pero sistema propuesto por Salih, a diferencia
de las computadoras cuánticas actuales, debería estar formado
por circuitos que no intercambien estas partículas. Su equipo
se encuentra coordinando con los principales físicos cuánticos
del Reino Unido (universidades de Bristol, Oxford y York),
para construir la ansiada máquina. "Espero que veamos la contraportación
realizada en los próximos cinco años", nos dice.
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