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El descubrimiento de un Agujero de Gusano Cuántico, pudo transportar un Qubit de información de un punto a otro.
Por: Denny Morales en FB 3-12-2022
"Encontramos un sistema cuántico que exhibe propiedades clave de un agujero de gusano gravitacional, pero que es lo suficientemente pequeño como para implementarlo en el hardware cuántico actual," dice en un comunicado
María Spiropúlu investigadora principal del programa QCCFP (Quantum Communication Channels for Fundamental Physics) y profesora de Física en Caltech.
El primer Agujero de Gusano, una especie de túnel teorizado en 1935 por Albert Einstein y Nathan Rosen que conduce de un lugar a otro pasando a una dimensión extra del espacio.
El agujero de gusano surgió como un holograma a partir de bits cuánticos de información, o "qubits", almacenados en diminutos circuitos superconductores.
Al manipular los qubits, los físicos enviaron información a través del agujero de gusano, informaron en la revista Nature el 29 de noviembre de 2022.
El equipo implementó el novedoso "protocolo de tele transportación de agujeros de gusano" utilizando la computadora cuántica de Google, un dispositivo llamado Sycamore alojado en Google Quantum AI en Santa Bárbara, California.
Con éste "experimento de gravedad cuántica en un chip", el primero de su tipo, como lo describió Spiropúlu, ella y su equipo vencieron a un grupo de físicos que compiten y que aspiran a tele transportarse a través de agujeros de gusano con las computadoras cuánticas de IBM y Quantinuum.
El experimento puede verse como evidencia del principio holográfico, una hipótesis radical sobre cómo encajan los dos pilares de la física fundamental, la mecánica cuántica y la relatividad general. Los físicos se han esforzado desde la década de 1930 para reconciliar estas teorías inconexas: una, un libro de reglas para átomos y partículas subatómicas, la otra, la descripción de Einstein de cómo la materia y la energía deforman el tejido del espacio-tiempo, generando gravedad. El principio holográfico, en ascenso desde la década de 1990, postula una equivalencia matemática o “dualidad” entre los dos marcos. Dice que el continuo flexible del espacio-tiempo descrito por la relatividad general es en realidad un sistema cuántico de partículas disfrazado. El espacio-tiempo y la gravedad emergen de los efectos cuánticos de la misma manera que un holograma 3D se proyecta a partir de un patrón 2D.
De hecho, el nuevo experimento, confirma que los efectos cuánticos, del tipo que podemos controlar en una computadora cuántica, pueden dar lugar a un fenómeno que esperamos ver en la relatividad: un agujero de gusano. El sistema en evolución de qubits en el chip Sycamore "tiene esta descripción alternativa realmente genial", dijo John Preskill, un físico teórico de Caltech que no participó en el experimento. "Puedes pensar en el sistema en un lenguaje muy diferente como gravitacional."
Para ser claros, a diferencia de un holograma ordinario, el agujero de gusano no es algo que podamos ver. Si bien se puede considerar "un filamento de espacio-tiempo real", según el coautor Daniel Jafferis de la Universidad de Harvard, desarrollador principal del protocolo de tele transportación del agujero de gusano, no es parte de la misma realidad que habitamos nosotros y la computadora Sycamore.
El principio holográfico dice que las dos realidades, la del agujero de gusano y la de los qubits, son versiones alternativas de la misma física, pero cómo conceptualizar este tipo de dualidad sigue siendo un misterio.
Las opiniones diferirán sobre las implicaciones fundamentales del resultado. Crucialmente, el agujero de gusano holográfico en el experimento consiste en un tipo diferente de espacio-tiempo que el espacio-tiempo de nuestro propio universo. Es discutible si el experimento promueve la hipótesis de que el espacio-tiempo que habitamos también es holográfico, modelado por bits cuánticos.
La historia del agujero de gusano holográfico se remonta a dos artículos aparentemente no relacionados publicados en 1935: uno de Einstein y Rosen, conocido como ER, el otro de ellos dos y Boris Podolsky, conocido como EPR. Tanto los artículos de ER como los de EPR fueron considerados inicialmente como trabajos marginales del gran Einstein. En el artículo de ER, Einstein y su joven asistente, Rosen, tropezaron con la posibilidad de los agujeros de gusano mientras intentaban extender la relatividad general a una teoría unificada de todo: una descripción no solo del espacio-tiempo, sino también de las partículas subatómicas suspendidas en él. Se habían centrado en los inconvenientes en el tejido del espacio-tiempo que el físico y soldado alemán Karl Schwarzschild había encontrado entre los pliegues de la relatividad general en 1916, pocos meses después de que Einstein publicara la teoría. Schwarzschild demostró que la masa puede atraerse gravitacionalmente tanto que se concentra infinitamente en un punto, curvando el espacio-tiempo tan bruscamente allí que las variables se vuelven infinitas y las ecuaciones de Einstein funcionan mal. Ahora sabemos que estas "singularidades" existen en todo el universo. Son puntos que no podemos ni describir ni ver, cada uno escondido en el centro de un agujero negro que atrapa gravitacionalmente toda la luz cercana. Las singularidades son donde más se necesita una teoría cuántica de la gravedad. Einstein y Rosen especularon que las matemáticas de Schwarzschild podrían ser una forma de relacionar las partículas elementales con la relatividad general. Para que la imagen funcionara, eliminaron la singularidad de sus ecuaciones, intercambiando nuevas variables que reemplazaron la punta afilada con un tubo extra dimensional que se deslizaba hacia otra parte del espacio-tiempo. Einstein y Rosen argumentaron, errónea pero proféticamente, que estos “puentes” (o agujeros de gusano) podrían representar partículas.
Irónicamente, al esforzarse por vincular los agujeros de gusano y las partículas, el dúo no consideró el extraño fenómeno de partículas que habían identificado dos meses antes con Podolsky, en el artículo de EPR: el entrelazamiento cuántico.
El entrelazamiento surge cuando dos partículas interactúan. De acuerdo con las reglas cuánticas, las partículas pueden tener múltiples estados posibles a la vez. Esto significa que una interacción entre partículas tiene múltiples resultados posibles, dependiendo del estado inicial en el que se encuentre cada partícula. Sin embargo, sus estados resultantes siempre estarán vinculados: cómo termina la partícula A, depende de cómo resulta la partícula B. Después de tal interacción, las partículas tienen una fórmula compartida que especifica los diversos estados combinados en los que podrían estar.
¡Eso ha cambiado!
La impactante consecuencia, que hizo que los autores de EPR dudaran de la teoría cuántica, es una "acción espeluznante a distancia", como lo expresó Einstein: medir la partícula A (que selecciona una realidad entre sus posibilidades) decide instantáneamente el estado correspondiente de B, no importa lo lejos que esté B.
El entrelazamiento se ha disparado en importancia percibida desde que los físicos descubrieron en la década de 1990 que permite nuevos tipos de cálculos. Enredar dos qubits, objetos cuánticos como partículas que existen en dos estados posibles, 0 y 1, produce cuatro estados posibles con diferentes probabilidades (0 y 0, 0 y 1, 1 y 0, y 1 y 1). Tres qubits hacen ocho posibilidades simultáneas, y así sucesivamente; el poder de una "computadora cuántica" crece exponencialmente con cada qubit entrelazado adicional. Orqueste hábilmente el enredo y podrá cancelar todas las combinaciones de 0 y 1 excepto la secuencia que da la respuesta a un cálculo. Prototipos de computadoras cuánticas hechas de unas pocas docenas de qubits se han materializado en los últimos años, lideradas por la máquina Sycamore de 54 qubits de Google.
Mientras tanto, los investigadores de la gravedad cuántica se han obsesionado con el entrelazamiento cuántico por otra razón: como el posible código fuente del holograma del espacio-tiempo.
RE = EPR
Las conversaciones sobre el espacio-tiempo emergente y la holografía comenzaron a fines de la década de 1980, después de que el teórico del agujero negro John Wheeler promulgara la opinión de que el espacio-tiempo y todo lo que contiene podría surgir de la información. Pronto, otros investigadores, incluido el físico holandés Gerard 't Hooft, se preguntaron si esta aparición podría parecerse a la proyección de un holograma. Habían surgido ejemplos en los estudios de agujeros negros y en la teoría de cuerdas, donde una descripción de un escenario físico podría traducirse en una visión igualmente válida con una dimensión espacial adicional. En un artículo de 1994 titulado “ El mundo como un holograma ”, Leonard Susskind, un teórico de la gravedad cuántica de la Universidad de Stanford, desarrolló el principio holográfico de 't Hooft, argumentando que un volumen de espacio-tiempo flexible descrito por la relatividad general es equivalente, o "dual", a un sistema de partículas cuánticas en la región de dimensión inferior de la región. Perímetro.
Un ejemplo trascendental de holografía llegó tres años después. Juan Maldacena (Físico teórico argentino), un teórico de la gravedad cuántica ahora en el Instituto de Estudios Avanzados en Princeton, Nueva Jersey, descubrió que un tipo de espacio llamado espacio anti-de Sitter (AdS) es, de hecho, un holograma.
Cuando Jafferis escuchó a Maldacena hablar sobre ER = EPR en una conferencia en 2013, se dio cuenta de que la dualidad conjeturada debería permitirle diseñar agujeros de gusano a medida adaptando el patrón de entrelazamiento.
Los puentes estándar de Einstein-Rosen son una decepción para los fanáticos de la ciencia ficción en todas partes: si se formara uno, colapsaría rápidamente por su propia gravedad y se rompería mucho antes de que una nave espacial o cualquier otra cosa pudiera atravesarlos. Pero Jafferis imaginó tender un cable o cualquier otra conexión física entre los dos conjuntos de partículas entrelazadas que codifican las dos bocas de un agujero de gusano. Con este tipo de acoplamiento, operar en las partículas de un lado induciría cambios en las partículas del otro, tal vez abriendo el agujero de gusano entre ellas. "¿Podría ser eso lo que hace que el agujero de gusano sea atravesable?" Jafferis recuerda haberse preguntado. Habiendo estado fascinado por los agujeros de gusano desde la infancia (un prodigio de la física, comenzó en la Universidad de Yale a los 14 años), Jafferis siguió la pregunta "casi por diversión".
El modelo SYK, como se le llama, es un sistema de partículas de materia que interactúan en grupos, en lugar de los pares habituales. Descrito por primera vez por Subir Sachdev y Jinwu Ye en 1993, el modelo de repente importó mucho más a partir de 2015 cuando el físico teórico Alexei Kitaev descubrió que es holográfico.
Maldacena y los coautores propusieron que dos modelos SYK unidos entre sí podrían codificar las dos bocas del agujero de gusano atravesable de Jafferis, Gao y Wall. Jafferis y Gao corrieron con la aproximación. Para 2019, encontraron el camino hacia una receta concreta para tele transportar un qubit de información de un sistema de partículas que interactúan en cuatro direcciones a otro.
A medida que se desarrollaba el trabajo teórico, María Spiropúlu, una consumada física de partículas experimentales que participó en el descubrimiento del Bosón de Higgs en 2012, estaba pensando en cómo usar computadoras cuánticas nacientes para hacer experimentos holográficos de gravedad cuántica. En 2018 convenció a Jafferis para que se uniera a su equipo en crecimiento, junto con investigadores de Google Quantum AI, guardianes del dispositivo Sycamore. Para ejecutar el protocolo de tele transportación de agujeros de gusano de Jafferis y Gao en la computadora cuántica de última generación pero aún pequeña y propensa a errores, el equipo de Spiropulu tuvo que simplificar enormemente el protocolo. Un modelo SYK completo consta de prácticamente un número infinito de partículas acopladas entre sí con fuerzas aleatorias a medida que se producen interacciones de cuatro vías. Esto no es factible de calcular; incluso usar los 50 qubits disponibles habría requerido cientos de miles de operaciones de circuito. Los investigadores se propusieron crear un agujero de gusano holográfico con solo siete qubits y cientos de operaciones. Para hacer esto, tuvieron que "dispersar" el modelo SYK de siete partículas, codificando solo las interacciones de cuatro vías más fuertes y elidiendo el resto, manteniendo las propiedades holográficas del modelo.
"Eso tomó un par de años encontrar una forma inteligente de hacerlo," - dijo Spiropulu.
"El agujero de gusano de Jafferis es la primera realización concreta de ER = EPR, donde muestra que la relación se mantiene exactamente para un sistema en particular", dijo Alexander Zlokapa, estudiante graduado en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (M.I.T.) y coautor del nuevo experimento.
Uno de los secretos del éxito fue Zlokapa, un programador talentoso que mapeó las interacciones de partículas del modelo SYK en las conexiones entre las neuronas de una red neuronal y entrenó el sistema para eliminar tantas conexiones de red como fuera posible mientras conservaba una firma de agujero de gusano clave. El procedimiento redujo el número de interacciones de cuatro vías de cientos a cinco. Con eso, el equipo comenzó a programar los qubits de Sycamore. Siete qubits codifican 14 partículas de materia, siete en cada uno de los sistemas SYK izquierdo y derecho, donde cada partícula de la izquierda está entrelazada con una de la derecha. Luego, un octavo qubit, en alguna combinación probabilística de los estados 0 y 1, se intercambia con una de las partículas del modelo SYK de la izquierda. Los posibles estados de ese qubit se enredan rápidamente con los estados de las otras partículas de la izquierda, esparciendo su información uniformemente entre ellas como una gota de tinta en el agua.
Esto es holográficamente dual al qubit que ingresa por la boca izquierda de un agujero de gusano unidimensional en el espacio AdS.
Luego viene la gran rotación de todos los qubits, dual a un pulso de energía negativa que atraviesa el agujero de gusano. La rotación hace que el qubit inyectado se transfiera a las partículas del modelo SYK de la derecha. Luego, la información se deshace, dijo Preskill, "como el caos retrocede", y se vuelve a enfocar en el sitio de una sola partícula a la derecha: el compañero entrelazado de la partícula de la izquierda que se intercambió. Luego se miden todos los estados de los qubits. El recuento de 0 y 1 en muchas ejecuciones experimentales y la comparación de estas estadísticas con el estado preparado de los qubits inyectados revela si los qubits se están teletransportando.
Con ese fin, Susskind tiene una nueva idea, propuso que el espacio de De Sitter podría ser un holograma de una versión diferente del modelo SYK, no uno con interacciones de partículas de cuatro vías, sino uno en el que crece la cantidad de partículas involucradas en cada interacción. como la raíz cuadrada del número total de partículas. Este "límite de doble escala" del modelo SYK se "comporta más como de Sitter que como AdS", dijo. “Está lejos de ser una prueba, pero hay evidencia circunstancial.”
Tal sistema cuántico es más complejo que el programado hasta ahora, y "no sé si ese límite es algo que se realizará en el laboratorio", dijo Susskind. Lo que parece seguro es que, ahora que hay un agujero de gusano holográfico, se abrirán más.