Un experimento cuántico para observar la dinámica de los agujeros de gusano
Los agujeros de gusano son caminos a través del espacio-tiempo que conectan dos lugares distantes. Aunque no se han observado experimentalmente, los científicos llevan casi un siglo teorizando sobre su existencia y características. La idea de que los agujeros de gusano y física cuánticaPrecisamente el entrelazamiento, puede tener una conexión, se propuso por primera vez en una investigación teórica en 2013. Los físicos plantearon la hipótesis de que los agujeros de gusano eran equivalentes al entrelazamiento.
Más tarde, en 2017, la idea del entrelazamiento de agujeros de gusano se extendió no solo a los agujeros de gusano, sino también a los agujeros de gusano transitables. Los científicos han imaginado un escenario en el que un agujero de gusano se mantiene abierto el tiempo suficiente para que pase algo con energía repulsiva negativa. Los científicos han demostrado que el método de teletransporte cuántico es idéntico a la descripción gravitacional de un objeto atravesable. agujero de gusano. La información se envía al espacio utilizando los principios del entrelazamiento cuántico en teletransportación cuántica. Este protocolo se ha demostrado experimentalmente en distancias significativas por fibra óptica y por aire.
Un nuevo trabajo de Instituto de Tecnología de California explora la equivalencia de los agujeros de gusano con la teletransportación cuántica. Por primera vez, los científicos han desarrollado un experimento cuántico que les permite estudiar la dinámica o el comportamiento de un agujero de gusano teórico especial.
Au lieu de produire un véritable trou de ver, une faille dans l’espace et le temps, l’expérience permet aux scientifiques d’explorer les relations entre les trous de ver théoriques et la physique quantique, qui est une prédiction de ce que l ‘llamamos gravedad cuántica.
Los científicos realizaron los primeros experimentos que probaron la idea de que información de viaje de un punto del espacio a otro puede describirse en el lenguaje de la gravedad (agujeros de gusano) o en el lenguaje de la física cuántica (entrelazamiento cuántico).
Maria Spiropulu, investigadora principal del programa de investigación de Canales de Comunicación Cuántica para Física Fundamental (QCCFP) de la Oficina de Ciencias de la Ciencia del Departamento de Energía de EE. UU. y profesora de Física Shang-Yi Ch’en en Caltech, dijo: “Hemos encontrado un sistema cuántico que exhibe las propiedades clave de un agujero de gusano gravitacional, pero es lo suficientemente pequeño como para implementarlo en el hardware cuántico actual. Este trabajo es un paso hacia un programa más amplio de prueba de la física de la gravedad cuántica utilizando una computadora cuántica. No reemplaza las sondas de gravedad cuántica directa de la misma manera que otros experimentos planificados que pueden usar la detección cuántica para probar los efectos de la gravedad cuántica en el futuro. Sin embargo, ofrece un poderoso banco de pruebas para poner en práctica las ideas de la gravedad cuántica.
En este estudio, los físicos utilizaron un modelo SYK parecido a un bebé preparado para preservar las propiedades gravitacionales. Observaron la dinámica de los agujeros de gusano en un dispositivo cuántico de Google, a saber, el procesador cuántico Sycamore. El equipo utilizó tecnologías de aprendizaje automático en computadoras convencionales para convertir el modelo SYK en una forma reducida.
Spiropulu dijo, “Usamos técnicas de aprendizaje para encontrar y preparar un sistema cuántico simple similar a SYK que podría codificarse en las arquitecturas cuánticas actuales y preservaría las propiedades gravitacionales. En otras palabras, simplificamos la descripción microscópica del sistema cuántico SYK y estudiamos el modelo efectivo resultante que encontramos en el procesador cuántico. ¡Es curioso y sorprendente observar cómo la optimización de una característica del modelo ha preservado las otras métricas! Estamos planeando más pruebas para obtener mejor información sobre el modelo en sí.
Los científicos insertaron un qubit en uno de sus sistemas similares a SYK y observaron cómo la información salía del otro sistema. La teletransportación cuántica permitió que la información se trasladara de un sistema cuántico a otro; alternativamente, en el lenguaje de la gravedad, la información cuántica fluyó a través del agujero de gusano atravesable.
Alexander Zlokapa (BS ’21), ex estudiante de Caltech, dijo: “Realizamos una especie de teletransportación cuántica equivalente a un agujero de gusano transitable en la imagen de gravedad. Para hacer esto, tuvimos que simplificar el sistema cuántico al ejemplo más pequeño que conserva características gravitatorias para implementarlo en el procesador cuántico Sycamore en Google.”
La coautora Samantha Davis, estudiante de posgrado en Caltech, agrega: «Tomó mucho tiempo llegar a los resultados, y nos sorprendimos con el resultado».
John Preskill, profesor Richard P. Feynman de física teórica en Caltech y director del Instituto de Información y Materia Cuántica (IQIM), dijo: «La importancia a corto plazo de este tipo de experimento es que la perspectiva gravitacional proporciona una forma sencilla de comprender un fenómeno cuántico de partículas múltiples que de otro modo sería misterioso. Lo que me pareció interesante de este nuevo experimento de Google es que, a través del aprendizaje automático, podrían hacer que el sistema sea lo suficientemente simple como para simularlo en una máquina cuántica existente y, al mismo tiempo, mantener una buena caricatura de lo que predice la imagen gravitacional.
En el trabajo, los físicos describen el comportamiento de los agujeros de gusano predicho por la teoría cuántica y la gravedad. A pesar de que la información cuántica puede transportarse o enviarse a través del dispositivo de varias maneras diferentes, se ha demostrado que el procedimiento experimental es al menos algo similar a lo que sucedería si la información pasara a través de un agujero de gusano.
Los científicos han tratado de lograr esto utilizando pulsos de energía positiva opuesta o pulsos de energía negativa y repulsiva para «abrir el agujero de gusano». No fue hasta que se utilizó el equivalente de energía negativa que notaron los signos distintivos de un agujero de gusano atravesable, lo cual es consistente con la forma en que se supone que funcionan los agujeros de gusano.
espiropulu ha dicho, “La alta fidelidad del procesador cuántico que usamos fue clave. Si las tasas de error fueran un 50% más altas, la señal se habría oscurecido por completo. ¡Si fueran la mitad, tendríamos diez veces la señal! »
“La relación entre entrelazamiento cuántico, espacio-tiempo y gravedad cuántica es una de las cuestiones más importantes de la física fundamental y un área activa de investigación teórica. Estamos emocionados de dar este pequeño paso para probar estas ideas en hardware cuántico y continuaremos. »
Referencia de la revista:
- Daniel Jafferis, Alexander Zlokapa, Joseph D. Lykken, David K. Kolchmeyer, Samantha I. Davis, Nikolai Lauk, Hartmut Neven, Maria Spiropulu. Dinámica de agujeros de gusano transitables en un procesador cuántico. La naturaleza, 2022; 612 (7938): 51 DOI: 10.1038/s41586-022-05424-3
