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Cómo un experimento de mesa podría probar los cimientos de la realidad
Diagrama en la parte superior de la imagen de la nube Fuente de la foto: Unsplash
Aquí hay un experimento mental curioso. Imagine una nube de partículas cuánticas que están entrelazadas; en otras palabras, comparten la misma existencia cuántica. El comportamiento de estas partículas es caótico. El objetivo de este experimento es enviar un mensaje cuántico a través de este conjunto de partículas. Entonces, el mensaje debe enviarse a un lado de la nube y luego extraerse del otro.
Entonces, el primer paso es dividir la nube por la mitad para que las partículas de la izquierda puedan controlarse por separado de las de la derecha. El siguiente paso es inyectar el mensaje en la parte izquierda de la nube, donde el comportamiento caótico de las partículas lo codifica rápidamente.
¿Se puede descifrar un mensaje así?
En un nuevo artículo, Adam Brown de Google en California y varios colegas, incluido Leonard Susskind de la Universidad de Stanford, el padre de la teoría de cuerdas, discuten exactamente cómo se puede hacer que un mensaje así reaparezca sorprendentemente.
La sorpresa es lo que sucede a continuación, dicen. Después de un período en el que el mensaje parece completamente codificado, se decodifica abruptamente y se vuelve a unir en un punto muy alejado de donde se insertó originalmente. La señal se ha reenfocado inesperadamente, sin que sea del todo evidente qué era lo que actuaba como lente, dicen.
Pero lo realmente extraordinario que señalan es que tal experimento arroja luz sobre uno de los misterios más profundos del universo: la naturaleza cuántica de la gravedad y el espacio-tiempo.
Primero alguna explicación de fondo. La clave para comprender este experimento mental radica en la naturaleza de los fenómenos emergentes. Brown y compañía dicen que los sistemas cuánticos pueden mostrar fenómenos emergentes de la misma manera que lo hacen los sistemas ordinarios.
Por ejemplo, cuando dos personas hablan entre sí, el fenómeno es difícil de entender desde el punto de vista del modelado de cada molécula individual en el aire. La habitación en la que hablan puede contener un billón de billones de billones de moléculas, cada una chocando con otra cada décima de nanosegundo.
La conversación continúa de todos modos. La comunicación es posible a pesar del caos porque el sistema, sin embargo, posee modos colectivos emergentes (ondas de sonido) que se comportan de manera ordenada, escriben Brown y sus colegas.
Un fenómeno similar opera en el nivel cuántico. Y es este fenómeno emergente, argumentan Brown y sus colegas, el que reenfoca el mensaje cuántico en el ejemplo anterior.
Cuando los efectos cuánticos son importantes, los patrones complejos de entrelazamiento pueden dar lugar a tipos cualitativamente nuevos de fenómenos colectivos emergentes, escriben. Un ejemplo extremo de este tipo de emergencia es precisamente la generación holográfica de espacio-tiempo y gravedad a partir del enredo, la complejidad y el caos.
Es por eso que este experimento mental es objeto de tanto interés. Permite a los físicos pensar en un ejemplo simple de un fenómeno cuántico emergente y cómo podrían crear y probar uno en el laboratorio.
Entonces, ¿cómo podrían emprender tal experimento? Brown y compañía dicen que hay varias formas de abordarlo. El primer paso es crear un conjunto de estados cuánticos entrelazados que luego se pueden separar en dos conjuntos para manejarlos por separado.
Una forma de hacer esto es crear una colección de pares entrelazados conocidos como pares Bell. Brown y sus compañeros señalan que estos pares ya se han creado utilizando átomos de rubidio y con iones atrapados.
El siguiente paso es insertar información cuántica en la mitad de estos estados cuánticos. El paso final es controlar la evolución cuántica de la otra mitad de los estados cuánticos de manera que permita que el mensaje resurja.
Sin embargo, ya se han realizado experimentos que logran dicha codificación cuántica, en los que la información se distribuye por todo un sistema cuántico y posteriormente se recupera. En particular, un grupo de la Universidad de Maryland, College Park, junto con colaboradores de la Universidad de California, Berkeley, y el Perimeter Institute of Theoretical Physics en Waterloo, Ontario, publicaron un papel en la naturaleza en marzo de 2019 describiendo su exitoso esfuerzo para hacer precisamente eso.
Utilizaron una computadora cuántica que comprende una cadena de nueve iones de iterbio que se enfrían con láser mientras se mantienen en una trampa de radiofrecuencia. Los investigadores de la UMD implementaron un circuito de siete qubits en el medio siete de los nueve iones. El primer qubit se codificó en tres pares de qubits, distribuyendo la información que contenía en seis qubits en total (uno de los cuales era el qubit original). Luego midieron el séptimo qubit, que había sido emparejado con el sexto qubit. Con una fidelidad de alrededor del 80%, se encontró que el séptimo qubit estaba en un estado cuántico indistinguible del primer qubit original.
La interpretación de este resultado no es sencilla, sin embargo, el grupo realizó varios experimentos de control que, por razones técnicas demasiado sutiles para explicar aquí, confirmaron su afirmación de que la información inicialmente codificada solo en el primer qubit estaba realmente deslocalizada en todo el sistema.
La teletransportación inducida por la codificación observada en nuestro experimento puede reinterpretarse como una simulación de la propagación de información a través de un agujero de gusano atravesable que conecta un par de agujeros negros, señala el artículo de Nature.
Tales experimentos sugieren una serie de posibilidades interesantes. La capacidad de jugar con análogos a una forma emergente de espacio-tiempo hace posible probar ciertas ideas sobre la gravedad cuántica.
Brown y compañía están claramente emocionados. Escriben: La tecnología para el control de sistemas cuánticos complejos de muchos cuerpos avanza rápidamente, y parece que estamos en los albores de una nueva era en la física: el estudio de la gravedad cuántica en el laboratorio.
Ref: arxiv.org/abs/1911.06314 : Gravedad cuántica en el laboratorio: teletransportación por tamaño y agujeros de gusano atravesables.
Corrección: 14 de enero de 2020
Esta historia decía originalmente: La conclusión es que este tipo de experimento está más allá del estado del arte cuántico actual. Pero podría ser posible en los próximos años, dado el ritmo al que los físicos están desarrollando sus habilidades cuánticas. Esta declaración era incorrecta. El texto ha sido editado para reflejar una experimento de iones atrapados informó en la edición del 6 de marzo de 2019 de Nature que logra exactamente el tipo de codificación, teletransportación y decodificación que se estaba discutiendo.
Esta historia se ha editado aún más de la versión original para reflejar el hecho de que, aunque el artículo de Brown et al. publicado el 14 de noviembre de 2019, ciertamente invita a la reflexión, no es el primer artículo que sugiere que los experimentos de computación cuántica de mesa pueden ser una forma útil e interesante de obtener información sobre la gravedad cuántica.
Esta historia también ha sido editada en su totalidad para mayor claridad.
MIT Technology Review lamenta los errores.