Simulan el atajo espacio-tiempo de un agujero de gusano gracias a un ordenador cuántico

Los científicos llevan años buscando el método de aunar la teoría de la relatividad general, que explica de forma sobresaliente la mayoría de los fenómenos que ocurren en el Universo a escalas macroscópicas; con la mecánica cuántica, el extraño mundo a escala atómica en el que el famoso gato de Schrodinger puede estar vivo y muerto a la vez. Ahora, físicos de Caltech han conseguido juntar ambos mundos recreando con el ordenador cuántico de Google qué pasa si uno de sus cúbits atravesara un hipotético agujero de gusano. El estudio acaba de publicarse en la revista ‘Nature‘.

Todo este experimento cuántico parte de diferentes teorías. La primera es de 1935, cuando Albert Einstein y Nathan Rosen describieron una especie de túneles existentes a través del tejido del espacio-tiempo que conectaban regiones remotas, y que el físico John Wheeler bautizaría en los 50 como ‘agujeros de gusano‘. Aunque estos atajos espacio-tiempo se llevan teorizando casi un siglo y encajan dentro de la teoría de la relatividad general de Einstein, nunca han sido observados. Aún así, se ha seguido estudiando las propiedades que, en teoría, podrían tener y cómo podrían ser viables -más allá de las películas de ciencia ficción-.

En física cuántica existe un fenómeno parecido: el entrelazamiento. Consiste en que, en el extraño mundo de los átomos, dos partículas pueden permanecer conectadas (entrelazadas) a través de grandes distancias. En 2013, los físicos Juan Maldacena y Leonard Susskind fueron los primeros en especular que los agujeros de gusano y el entrelazamiento eran, de alguna forma, equivalentes, estableciendo un nuevo puente entre las (aún) irreconciliables mecánica cuántica y teoría de la relatividad general.

Más tarde, en 2017, Daniel Jafferis, Ping Gao y Aron Wall, extendieron la idea no solo a los agujeros de gusano, sino también a los agujeros de gusano transitables. Los científicos inventaron un escenario en el que la energía repulsiva negativa mantiene abierto un agujero de gusano el tiempo suficiente para que algo pase de un extremo al otro. Los investigadores demostraron que esta descripción gravitacional de un agujero de gusano transitables es equivalente a un proceso conocido como teletransportación cuántica. En la teletransportación cuántica, un protocolo que se ha demostrado experimentalmente a largas distancias a través de fibra óptica y por aire, la información se transporta a través del espacio utilizando los principios del entrelazamiento cuántico. De hecho, los futuros ordenadores cuánticos utilizarán estas propiedades para enviar información de un lugar a otro sin necesidad de cables u otros sistemas físicos.

Ahora, los físicos de Caltech han dado un paso más allá: han realizado un experimento que prueba la equivalencia entre los agujeros de gusano con la teletransportación cuántica. Es decir, que prueba la idea de que la información que viaja de un punto del espacio a otro puede describirse en el lenguaje de la gravedad (los agujeros de gusano) o en el lenguaje de la física cuántica (entrelazamiento cuántico). Utilizando el procesador cuántico de Google, Sycamore -famoso por, según la empresa, haber conseguido la supremacía cuántica-, se entrelazaron dos sistemas que simularon poseer a nivel básico las propiedades gravitacionales de un agujero de gusano. Gracias a este procesador, el bit cuántico -o cúbit, la unidad más pequeña de información de los ordenadores cuánticos que poseen las propiedades del mundo atómico-, pasó de un sistema a otro, pudiendo ser analizado.

Y los cúbits, en efecto, se comportaron como si pasaran a través de un hipotético agujero de gusano: por ejemplo, si bien la información cuántica se puede teletransportar de varias maneras, se demostró que este proceso en concreto es equivalente -al menos en los aspectos básicos-, a lo que podría suceder si la información viajara a través de un agujero de gusano. Para hacer esto, el equipo intentó ‘abrir’ el agujero de gusano usando pulsos de energía repulsiva negativa o la energía positiva opuesta, como habían teorizado Jafferis, Gao y Wall. Así, observaron que el agujero de gusano cuántico se podía atravesar solo cuando se aplicó el equivalente de energía negativa, lo que es consistente con el comportamiento esperado según la citada hipótesis anterior.

Sin embargo, el equipo incide en que se trata de un «experimento cuántico», no una simulación, ya que prepararon un sistema entrelazado ‘ad hoc’ y midieron directamente lo que ocurría en el sistema físico para luego extrapolar los datos a un agujero de gusano. «Se teoriza que el sistema cuántico que el equipo realizó es dual al comportamiento gravitacional de acuerdo con una teoría de la gravedad cuántica en un tipo de espacio-tiempo diferente al nuestro. Esto es completamente diferente de los experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), que producen y miden la física natural del mundo que nos rodea», señalan.

«Hay que tener en cuenta que para entender la simulación necesitamos el concepto de dualidad», explica Carlos Sabin, físico teórico de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM). «Las dualidades relacionan determinados modelos de universo con gravedad por un lado con modelos sin gravedad, por otro. Estos últimos se pueden hacer en el laboratorio. La relación, la dualidad, es como un diccionario que traduce lo que pasa en un modelo (el que podemos hacer en el laboratorio) con lo que pasaría en el otro modelo (el que tiene gravedad y solo simulamos)». Es decir que en el laboratorio no hay ningún agujero de gusano; sin embargo, lo que le pasa al cubit en el proceso se puede ‘traducir’ a lo que le pasaría si atravesara un agujero de gusano. «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».

«Este trabajo constituye un paso hacia un programa más amplio para probar la física de la gravedad cuántica utilizando una computadora cuántica», señala Maria Spiropulu, investigadora principal del programa de investigación Quantum Communication Channels for Fundamental Physics del Departamento de Energía de EE. UU. (QCCFP) y profesora de Física en Caltech. Sin embargo, matiza: «No sustituye a las pruebas directas de la gravedad cuántica de la misma manera que otros experimentos, pero ofrece un poderoso banco de pruebas para probar estas teorías».

Además, según recalcan los autores, tan solo se han utilizado 9 cúbits (de los 54 disponibles en el procesador), lo que da un amplio margen de mejora. «De momento, es solo una nueva aplicación de Sycamore, y además han usado muy pocos cúbits, ya que los errores se habrían acumulado de manera fatal para el experimento -señala Sabin-. Si se va más allá, sí serviría para aprender cosas de esta dualidad en concreto».