La teoría general de la relatividad considera que la gravedad está íntimamente unida al espacio y al tiempo, y describe bien el mundo físico a altas energías y densidades de materia, por ejemplo, en objetos astrofísicos como las estrellas y las galaxias. Por su parte, la mecánica cuántica se centra en la materia a una escala mucho más pequeña: la atómica y subatómica.
En medio está la gravedad cuántica, una teoría hipotética que describiría objetos en los que ambos aspectos de la física son importantes, como el interior de los agujeros negros. Pero existe un problema: de momento la relatividad general de Einstein y la mecánica cuántica son incompatibles, por lo que no hay consenso sobre esa teoría unificadora.
Sin embargo, esta semana se publica en Nature un estudio que abre la posibilidad de estudiar la gravedad cuántica en el laboratorio. Investigadores del Instituto Tecnológico de California (Caltech), la Universidad de Harvard y otras instituciones de EE UU presentan la primera simulación cuántica de un agujero de gusano holográfico mediante una demostración realizada con el procesador cuántico Sycamore de Google.
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Un agujero de gusano o puente de Einstein-Rosen (por los dos físicos que lo describieron) es un “túnel” o “atajo”, de momento teórico, que conecta puntos distantes en el espacio-tiempo. En realidad son soluciones matemáticas a ecuaciones de la relatividad general de Einstein.
Por su parte, el principio holográfico intenta unir diferentes teorías (de supercuerdas, gravedad cuántica, entre otros) para explicar que la relatividad puede emerger de la física cuántica en un sistema físico restringido.
La idea de que los agujeros de gusano y la mecánica cuántica, en concreto, el entrelazamiento (un fenómeno en el que dos partículas pueden estar conectadas a largas distancias), pueden relacionarse la propusieron los físicos teóricos Juan Maldacena y Leonard Susskind en 2013.
Circuito cuántico con nueve cúbits
Siguiendo estos complejos conceptos, los autores han diseñado un sistema sencillo, con un circuito de solo nueve cúbits o bits cuánticos, que simula ese agujero de gusano holográfico. Un cúbit teleportado a través del procesador cuántico de Google muestra la misma dinámica que se esperaría de uno que atravesara un agujero de gusano.
Explorando esa equivalencia entre los agujeros de gusano y la teleportación cuántica, el experimento indaga 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).
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La simulación, por tanto, muestra que las propiedades de un sistema cuántico diseñado adecuadamente coinciden con las esperadas en un sistema gravitatorio. Según los investigadores, su experimento ofrece una primera demostración de la posible viabilidad futura del uso de ordenadores cuánticos para probar las teorías de la gravedad cuántica.
“Hemos encontrado un sistema cuántico que presenta las propiedades clave de un agujero de gusano gravitacional y que, sin embargo, es lo suficientemente pequeño como para implementarlo en el hardware cuántico actual”, afirma la autora principal, Maria Spiropulu, de Caltech.
“Este trabajo constituye un paso hacia un programa más amplio de comprobación de la física de la gravedad cuántica utilizando un ordenador cuántico –añade–. No sustituye a los sondeos directos de la gravedad cuántica, pero ofrece un potente banco de pruebas para ejercitar sus ideas”.
No es un agujero de gusano real
Los autores insisten en aclarar que el experimento no ha creado un agujero de gusano real (una ruptura en el espacio y el tiempo), sino que permite probar las conexiones entre los agujeros de gusano teóricos y la física cuántica, una predicción de la gravedad cuántica.
El equipo tiene previsto seguir realizando este tipo de experimentos en plataformas de computación cuántica existentes y, en el futuro, con circuitos cuánticos cada vez más complejos.
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“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”, concluye Spiropulu.
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