Investigadores del MIT utilizan la computación cuántica para observar el entrelazamiento
Por primera vez, investigadores del MIT, Caltech, la Universidad de Harvard y otros lugares han enviado información cuántica a través de un sistema cuántico en lo que podría entenderse como atravesar un agujero de gusano. Aunque este experimento no creó una interrupción del espacio físico y el tiempo en la forma en que podríamos entender el término de ciencia ficción «agujero de gusano», los cálculos del experimento mostraron que los qubits viajaban de un sistema de partículas entrelazadas a otro en un patrón de gravedad. . Este experimento realizado en el dispositivo procesador cuántico Sycamore de Google abre las puertas para futuros experimentos con computadoras cuánticas para probar ideas de la teoría de cuerdas y la física gravitacional.
«La simulación de sistemas cuánticos que interactúan estrechamente, como los que surgen en la gravedad cuántica, es una de las aplicaciones más emocionantes de las computadoras cuánticas», dice Daniel Harlow, profesor asociado de Física en Desarrollo Profesional Jerrold R. Zacharias e investigador del MIT. Laboratorio de Ciencias Nucleares (LNS) que trabaja con David Kolchemeyer, uno de los principales autores del trabajo. «Es un primer paso prometedor».
Dentro un nuevo papel en La naturalezaun equipo de físicos, incluido el Centro de Física Teórica del MIT (CTP) y los investigadores del LNS Kolchmeyer y Alexander Zlokapa, presentan resultados sobre un par de sistemas cuánticos que se comportan de manera análoga a un agujero de gusano atravesable.
Un agujero de gusano es un puente entre dos regiones distantes del espacio-tiempo. En la teoría clásica de la relatividad general, no se permite que nada pase a través del agujero de gusano. En 2019, Daniel Jafferis de la Universidad de Harvard y sus colaboradores sugirieron que un agujero de gusano podría ser atravesable cuando se crea a partir de agujeros negros enredados. Kolchmeyer, un postdoctorado que trabaja con investigadores de CTP y LNS Harlow y profesor asistente Netta Engelhardt, fue asesorado por Jafferis para su doctorado.
«Estos físicos descubrieron un mecanismo cuántico para hacer transitable un agujero de gusano mediante la introducción de una interacción directa entre regiones distantes del espacio-tiempo, utilizando un sistema dinámico cuántico simple de fermiones», dice Kolchmeyer. «En nuestro trabajo, también usamos estos sistemas cuánticos entrelazados para producir este tipo de ‘teletransportación de agujeros de gusano’ usando computación cuántica y pudimos confirmar los resultados con computadoras clásicas».
La profesora Maria Spiropulu y Jafferis de Caltech son los autores principales del nuevo estudio, que apareció el 1 de diciembre en Nature. Los autores principales incluyen a Kolchmeyer y Zlokapa del MIT, así como a Joseph D. Lykken del Fermilab Quantum Institute and Theoretical Physics Department, y Hartmut Neven de Google Quantum AI. Samantha I. Davis y Nikolai Lauk son otros investigadores de Caltech y Alliance for Quantum Technologies (AQT).
Acción espeluznante remota
En este experimento, los investigadores enviaron una señal «a través del agujero de gusano» teletransportando un estado cuántico de un sistema cuántico a otro en el procesador cuántico Sycamore de 53 qubits. Para hacer esto, el equipo de investigación necesitaba determinar los sistemas cuánticos entrelazados que se comportaban con las propiedades predichas por la gravedad cuántica, pero que también eran lo suficientemente pequeños para ejecutarse en las computadoras cuánticas actuales.
«Un desafío central para este trabajo fue encontrar un sistema cuántico de muchos cuerpos bastante simple que conserve las propiedades gravitacionales», dice Zlokapa, un estudiante graduado de física de segundo año en el MIT que comenzó esta investigación como estudiante de ciclo en el laboratorio de Spiropulu. .
Para lograr esto, el equipo utilizó técnicas de aprendizaje automático, tomando sistemas cuánticos altamente interactivos y reduciendo gradualmente su conectividad. El resultado de este proceso de aprendizaje produjo muchos ejemplos de sistemas con un comportamiento compatible con la gravedad cuántica, pero cada instancia solo requirió unos 10 qubits, un tamaño perfecto para el procesador Sycamore.
«Los circuitos cuánticos complejos requeridos habrían hecho que los sistemas más grandes con cientos de qubits fueran imposibles de ejecutar en las plataformas cuánticas disponibles en la actualidad, por lo que era importante encontrar ejemplos tan pequeños», dice Zlokapa.
Confirmado por las computadoras clásicas
Una vez que Zlokapa y los investigadores identificaron estos sistemas de 10 qubits, el equipo insertó un qubit en un sistema, aplicó una onda de choque energética al procesador y luego observó esa misma información en el otro sistema cuántico del procesador. El equipo midió la cantidad de información cuántica transmitida de un sistema cuántico a otro según el tipo de onda de choque aplicada, negativa o positiva.
“Hemos demostrado que si el agujero de gusano se mantiene abierto el tiempo suficiente por las ondas de choque de energía negativa, se establece un camino causal entre los dos sistemas cuánticos. El qubit insertado en un sistema es, de hecho, el mismo que aparece en el otro sistema”, explica Spiropulu.
Luego, el equipo verificó estas y otras propiedades con cálculos informáticos estándar. «Es diferente de ejecutar una simulación en una computadora convencional», dice Spiropulu. “Si bien se podría simular el sistema en una computadora convencional -y se hizo como se muestra en este artículo- no se crea ningún sistema físico en una simulación convencional, que es la manipulación de bits, ceros y unos. Aquí hemos visto viajar la información a través de el agujero de gusano
Este nuevo trabajo abre la posibilidad de futuros experimentos de gravedad cuántica con computadoras cuánticas más grandes y sistemas entrelazados más complejos. Este trabajo no reemplaza las observaciones directas de la gravedad cuántica, por ejemplo, de las detecciones de ondas gravitacionales utilizando el Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser (LIGO), agrega Spiropulu.
Tanto Zlokapa como Kolchmeyer están interesados en comprender cómo estos experimentos pueden ayudar a avanzar en la gravedad cuántica. «Tengo mucha curiosidad por ver hasta dónde podemos probar la gravedad cuántica en las computadoras cuánticas de hoy. Tenemos ideas concretas para el trabajo de seguimiento que me entusiasma», dice Zlokapa.
Este trabajo cuenta con el apoyo de una subvención del programa QuantISED de la Oficina de Física de Alta Energía del Departamento de Energía sobre «Canales de comunicación cuántica para la física fundamental».
