Un ordenador cuántico logra recrear un agujero de gusano gravitacional

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). 

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.

Agujeros negros y agujeros de gusano

“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.

El trabajo explora 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)

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”.

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

El ‘principio holográfico’

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.

El viaje de los cúbits

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.

Más capacidad de investigación

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.

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). 

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.

Agujeros negros y agujeros de gusano

“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.

El trabajo explora 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)

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”.

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

El ‘principio holográfico’

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.

El viaje de los cúbits

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.

Más capacidad de investigación

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.

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).