Agujero de gusano transitable y teleportación cuántica

Los agujeros de gusano son puentes entre dos regiones remotas del espacio-tiempo. No han sido observados experimentalmente, pero se ha teorizado sobre su existencia y propiedades desde hace casi cien años. En 1935, Albert Einstein y Nathan Rosen describieron los agujeros de gusano como túneles que atraviesan el tejido del espacio-tiempo de acuerdo con la teoría general de la relatividad de Einstein, que describe la gravedad como una curvatura del espacio-tiempo. A los  agujeros de gusano también se les conoce como puentes Einstein-Rosen, por los apellidos de los dos físicos que plantearon su posible existencia y sus características básicas. En cuanto al término “agujero de gusano”, fue acuñado por el físico John Wheeler en la década de 1950.

La idea de que puede haber relación entre los agujeros de gusano y la física cuántica, en concreto el entrelazamiento cuántico (un fenómeno en el que dos partículas permanecen conectadas a través de grandes distancias), fue propuesta por primera vez en una investigación teórica por Juan Maldacena y Leonard Susskind en 2013. Estos físicos plantearon la posibilidad de que los agujeros de gusano sean equivalentes al entrelazamiento cuántico. En esencia, este trabajo estableció un nuevo tipo de vínculo teórico entre la gravedad y la física cuántica.

Más tarde, en 2017, Daniel Jafferis, de la Universidad Harvard en Estados Unidos, y sus colegas Ping Gao y Aron Wall, ampliaron la idea de la equivalencia entre el agujero de gusano y el entrelazamiento cuántico, haciéndola extensible a los agujeros de gusano transitables, o sea capaces de mantenerse abiertos de un modo que permitiese que lo que entrase por una boca saliera intacto por la otra.

Estos científicos idearon un escenario en el que una hipotética energía repulsiva (“negativa”) mantiene un agujero de gusano abierto el tiempo suficiente para que algo pase de un extremo al otro. Los investigadores demostraron que esta descripción gravitacional de un agujero de gusano transitable es equivalente al proceso conocido como teleportación cuántica. La teleportación cuántica es de hecho un protocolo que se ha demostrado experimentalmente en largas distancias por fibra óptica e incluso a través del aire. En la teleportación cuántica que hoy en día se utiliza, la información se transporta de un punto a otro del espacio utilizando los principios del entrelazamiento cuántico.

Ahora, se ha conseguido, por vez primera, llevar a cabo una serie de experimentos cuánticos que han permitido estudiar la dinámica, o el comportamiento, de un agujero de gusano.

Los experimentos no han creado un agujero de gusano verdadero (una ruptura en el espacio y el tiempo), sino que tan solo han permitido a los investigadores sondear las conexiones entre un agujero de gusano teórico y la física cuántica. Tales conexiones son una predicción de una teoría sobre el concepto conocido como “gravedad cuántica”.

La gravedad cuántica se refiere a un conjunto de teorías que tratan de conectar la gravedad con la física cuántica, dos descripciones fundamentales y bien estudiadas de la naturaleza que parecen inherentemente incompatibles entre sí.

Recreación artística de agujero de gusano transitable. (Ilustración: inqnet / A. Mueller (Caltech))

El equipo que ha realizado los experimentos está integrado, entre otros, por Jafferis; Alexander Zlokapa, del Instituto Tecnológico de California (Caltech) en Estados Unidos, y ahora en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en Estados Unidos; y Maria Spiropulu del Caltech.

En este nuevo estudio, se ha explorado la equivalencia de los agujeros de gusano a la teleportación cuántica. Los autores del estudio llevaron a cabo los primeros experimentos sobre 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 que permite la teleportación cuántica). Observaron la dinámica del agujero de gusano en el procesador cuántico Sycamore, creado por la división de inteligencia artificial de Google.

En el estudio, los físicos hallaron la conducta de agujero de gusano tanto a través de la gravedad como de la física cuántica. Por ejemplo, en los experimentos la teleportación cuántica resultó ser equivalente, al menos en algunos aspectos, a lo que podría ocurrir si la información viajara a través de un agujero de gusano. Para ello, el equipo intentó evitar que el agujero de gusano abierto se cerrara utilizando pulsos de energía negativa (repulsiva) o recurriendo a pulsos de energía del signo opuesto (positiva). Observaron la firma inconfundible de un agujero de gusano transitable únicamente cuando se aplicó la energía negativa, una pauta que coincide con el comportamiento esperado para los agujeros de gusano.

“La alta fidelidad del procesador cuántico que utilizamos fue esencial”, afirma Spiropulu.

En el futuro, los investigadores esperan ampliar este trabajo a circuitos cuánticos todavía más complejos.

“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”, destaca Spiropulu. “Nos entusiasma dar este pequeño paso para probar estas ideas en el hardware cuántico y seguiremos avanzando”.

El estudio se titula “Traversable wormhole dynamics on a quantum processer”. Y se ha publicado en la revista académica Nature. (Fuente: NCYT de Amazings)