En enero de 2022, un pequeño equipo de físicos observó sin aliento cómo los datos salían de la computadora cuántica de Google, Sycamore. Un pico agudo indicaba que su experimento había tenido éxito. Habían mezclado una unidad de información cuántica en lo que equivalía a una tenue nube de partículas y la vieron emerger de una nube enlazada. Era como ver un huevo revolverse en un tazón y descifrarse en otro.

En varias formas clave, el evento se parecía mucho a un escenario familiar de película: una nave espacial ingresa a un agujero negro, aparentemente yendo a su destino, solo para salir de otro agujero negro en otro lugar completamente diferente. Los agujeros de gusano, como se llaman estos caminos teóricos, son un fenómeno gravitatorio por excelencia. Había razones teóricas para creer que el qubit había viajado a través de un sistema cuántico que se comportaba exactamente como un agujero de gusano, el llamado agujero de gusano holográfico, y eso es lo que concluyeron los investigadores. Cuando se publicó en noviembre, el experimento apareció en la portada de Naturaleza y fue extensamente cubierto in las medios de comunicación, incluido en esta revista.

Ahora, otro grupo de físicos analizó el resultado y determinó que, si bien el experimento pudo haber producido algo vagamente parecido a un agujero de gusano, en realidad no era un agujero de gusano holográfico en ningún sentido significativo. A la luz del nuevo análisis, los investigadores independientes están empezando a dudar de que el experimento de teletransportación tenga algo que ver con la gravedad después de todo.

"Siento que la evidencia de una interpretación gravitatoria se está debilitando", dijo Juan Preskill, un físico teórico del Instituto de Tecnología de California que no participó en ninguno de los dos estudios.

Sin embargo, el grupo teletransportó algo en el chip Sycamore y lo hizo de una manera que, al menos en la superficie, se parecía más a un agujero de gusano que cualquier cosa producida por experimentos anteriores. La disputa sobre cómo interpretar el experimento surge de los rápidos desarrollos relacionados con la holografía, que funciona como una especie de par de anteojos matemáticos 3D que permite a los físicos ver un sistema cuántico como uno gravitatorio. El estudio de los agujeros de gusano a través de la lente gravitatoria ha descubierto nuevas formas de teletransportar información cuántica, lo que genera esperanzas de que tales experimentos cuánticos algún día vayan en la otra dirección y prueben la gravedad cuántica en el laboratorio. Pero el alboroto del agujero de gusano destaca el hecho de que determinar cuándo funciona la lente holográfica y, por lo tanto, si ciertos aspectos de la gravedad cuántica podrían ser accesibles en las computadoras cuánticas, puede requerir una mayor sutileza de lo que imaginaban los físicos.

Cuando leyó la nueva respuesta, Vicente Su, un físico de la Universidad de California, Berkeley, que estudia la teletransportación similar a un agujero de gusano y no está involucrado con ninguno de los grupos, se preguntó: "¿Está muerta la gravedad cuántica en el laboratorio?"

Agujeros de gusano revueltos

Los agujeros de gusano han sido durante mucho tiempo un elemento fijo de los escritores de ciencia ficción que necesitaban un mecanismo para mover rápidamente a sus personajes a través de la inmensidad del espacio, pero los agujeros de gusano que aparecieron en la teoría de la gravedad de Einstein inicialmente parecían extremadamente improbables y requerían manipulaciones engañosas del espacio-tiempo que inevitablemente condujo a paradojas de viajes en el tiempo. Eso cambió en 2016, cuando tres físicos, Ping Gao y Daniel Jafferis en la Universidad de Harvard y Muro de Aron, luego en el Instituto de Estudios Avanzados, encontró un manera inesperadamente simple y libre de paradojas para abrir un agujero de gusano con una onda de choque de energía negativa.

“Es bastante hermoso. Comenzó todo el pensamiento en esta dirección”, dijo Hrant Gharibyan, un físico cuántico en Caltech. "Hay una ventana estrecha en la que puedes arrojar cosas del universo izquierdo al derecho".

La base del trabajo fue una de las tendencias más candentes de la física moderna, la holografía.

La holografía implica el estudio de relaciones profundas conocidas como dualidades. A primera vista, los sistemas duales se ven completamente diferentes. Tienen diferentes partes y juegan con reglas diferentes. Pero si dos sistemas son duales, cada aspecto de un sistema puede relacionarse con precisión con un elemento del otro sistema. Los campos eléctricos son duales a los campos magnéticos, por ejemplo. Un hallazgo importante de la física moderna es que las dualidades también parecen vincular ciertos sistemas gravitatorios con los sistemas cuánticos.

Podríamos considerar una colección de partículas que interactúan, por ejemplo, completamente dentro del marco de la teoría cuántica. O, como si nos pusiéramos un par de anteojos 3D, podríamos ver la colección de partículas como un agujero negro gobernado por las reglas de la gravedad. Los físicos han pasado décadas desarrollando "diccionarios" matemáticos que les permiten traducir elementos cuánticos en elementos gravitacionales y viceversa, poniéndose y quitándose las gafas de manera efectiva. Observan cómo las partículas, los agujeros negros y los agujeros de gusano se transforman cuando uno cambia entre las dos perspectivas. Los cálculos que son difíciles de hacer desde una perspectiva a menudo son más fáciles desde la otra. Una gran esperanza del campo es desarrollar la capacidad de acceder a las todavía misteriosas reglas de la gravedad cuántica mediante el estudio de teorías cuánticas mejor entendidas.

Pero abundan las preguntas sobre hasta dónde aguantará el truco de las gafas. ¿Cada teoría cuántica concebible aparece en una teoría de la gravedad cuando se ve holográficamente? ¿Pueden los físicos comprender la gravedad en nuestro universo encontrando su gemelo cuántico que se comporta mejor? Nadie sabe. Pero muchos teóricos han dedicado sus carreras a explorar algunos pares de teorías holográficas bien entendidas y buscan constantemente nuevos ejemplos.

Gao, Jafferis y Wall ya habían sugerido en 2016 que atravesar un agujero de gusano (una empresa gravitatoria) podría tener una interpretación cuántica sin las gafas 3D: la teletransportación de información cuántica. Un par de años después, otro equipo concretó sus especulaciones.

En 2019, Gharibyan y sus colaboradores tradujeron los agujeros de gusano atravesables al lenguaje cuántico y publicaron un receta paso a paso para un peculiar experimento cuántico que muestra la esencia de la holografía. Con las gafas 3D puestas, ves un agujero de gusano. Un objeto entra en un agujero negro, atraviesa una especie de puente espacio-temporal y sale por el otro agujero negro. Sin embargo, quítese las gafas y verá el sistema cuántico dual. Dos agujeros negros se convierten en dos gigantescas nubes de partículas. El puente espacio-tiempo se convierte en un enlace mecánico cuántico conocido como enredo. Y el acto de viajar a través del agujero de gusano se convierte en un evento que parece bastante sorprendente desde la perspectiva cuántica: una partícula que lleva un qubit, una unidad de información cuántica, ingresa a una nube y se revuelve más allá de todo reconocimiento. El qubit se descifra y sale de la nube enredada como otra partícula, un desarrollo tan inesperado como ver una mariposa siendo destrozada por un huracán en Houston, solo para ver una mariposa idéntica salir de un tifón en Tokio.

"Ingenuamente, nunca adivinarías", dijo Gharibyan, "que podrías codificar y decodificar de manera muy caótica, y la información sale a la luz".

Pero visto a través de una lente holográfica, los procedimientos tienen mucho sentido. Las nubes de partículas entrelazadas no son un agujero de gusano literal en nuestro universo. Pero son duales a un agujero de gusano, lo que significa que tienen un comportamiento coincidente para cualquier cosa que pueda hacer un agujero de gusano atravesable, incluido el transporte de un qubit.

Esto es lo que anunció el equipo en noviembre Naturaleza papel. Simularon el comportamiento de dos nubes de partículas entrelazadas en una computadora cuántica y realizaron una teletransportación que capturó los aspectos esenciales de atravesar un agujero de gusano desde la perspectiva holográfica.

Pero esa no era la única manera de interpretar su experimento.

No todo lo que se teletransporta es gravedad

En los últimos años, los investigadores hicieron otro descubrimiento sorprendente. Aunque habían detectado la receta de teletransportación codificada mientras usaban la lente gravitacional, la gravedad no siempre fue esencial.

La gravedad codifica la información de una manera muy particular. De hecho, los teóricos han argumentó que los agujeros negros deben ser los codificadores más eficientes de la naturaleza. Pero cuando Gharibyan y sus colegas usaron nubes de partículas que se revolvían según reglas cuánticas diferentes a la gravedad, se dieron cuenta de que las nubes aún podían teletransportarse revolviéndose, aunque de manera menos eficiente. Y cuando miraron las nubes alternativas a través de una lente holográfica, no vieron nada, ni agujeros de gusano.

El grupo de Gharibyan y otro equipo dirigido por norman yao en Berkeley puso todo junto en un par de simultáneo papeles en 2021. (Desde entonces, Yao se mudó a Harvard).

Estos documentos expusieron algunas de las características que parecían distinguir la teletransportación gravitatoria de la teletransportación mediante formas más simples de codificación. En particular, identificaron una característica de todos los sistemas cuánticos conocida como bobinado de tamaño, que se puede vincular holográficamente a la velocidad de una partícula que cae a través del agujero de gusano. Cuando la gravedad era responsable de la codificación, el tamaño del devanado tenía una propiedad matemática particular y se decía que era "perfecto" en los sistemas que estudiaron. Eso dio el Naturaleza equipo una señal específica para buscar.

“Lo que se predijo en estos documentos anteriores fue que el tamaño del bobinado es una firma holográfica, casi como una pistola humeante”, dijo Su.

Más partículas, más problemas

La primavera pasada, mientras el Naturaleza El documento estaba pasando por el proceso de revisión por pares, Su y sus colaboradores llevaron a cabo un experimento de teletransportación por codificación en dos computadoras cuánticas, una operada por IBM y otra por Quantinuum. Llamaron a su demostración de teletransportación “inspirado en un agujero de gusano”, ya que sabían que su modelo cuántico usaba una de las recetas de codificación no gravitacional. En ese momento, sospecharon que una demostración experimental de la verdadera teletransportación gravitacional llevaría una década o más.

Para comprender por qué la teletransportación gravitacional es tan difícil de lograr, es útil tener en cuenta que estas computadoras cuánticas no contienen literalmente nubes de partículas que codifican y decodifican la información por su propia cuenta. En cambio, contienen qubits, que son objetos que actúan como partículas (los qubits pueden estar hechos de átomos literales o artificiales). Cuando los científicos programan la computadora, le dicen que haga cambios cuánticos en los qubits de acuerdo con una ecuación de energía llamada hamiltoniana. El hamiltoniano describe cómo cambian los qubits de un momento a otro. Efectivamente, esta ecuación les permite personalizar las leyes de la física cuántica para los qubits. A medida que la computadora funciona, lleva a cabo una especie de simulación de cómo actuarían las nubes reales de partículas gobernadas por esas leyes.

Aquí está el problema: para una exhibición definitiva de teletransportación gravitacional, necesitas grandes nubes de partículas. ¿Cuan grande? Cuanto más grande, mejor. Los teóricos habían hecho todas las matemáticas en el contexto de nubes esencialmente infinitamente grandes. Para un experimento, los investigadores generalmente están de acuerdo en que 100 partículas por nube serían suficientes para que surja un comportamiento de agujero de gusano indiscutible.

Sin embargo, a medida que aumenta el número de partículas, el tamaño del hamiltoniano explota. Si está modelando las partículas utilizando uno de los modelos de gravedad más manejables, llamado modelo SYK, su hamiltoniano debe reflejar el hecho de que cada miembro de un grupo de partículas puede influir directamente en todos los demás miembros. El hamiltoniano para 100 partículas densamente enlazadas es una ecuación con la asombrosa cantidad de 3,921,225 términos. Esto va mucho más allá de lo que las computadoras cuánticas actuales pueden simular con unas pocas docenas de qubits. Incluso si uno estuviera dispuesto a conformarse con un agujero de gusano borroso dual a nubes de solo 20 partículas, el hamiltoniano continuaría por la abrumadora cantidad de 4,845 términos. Este obstáculo fue una razón clave por la que el grupo de Su pensó que una verdadera simulación de agujero de gusano estaba a una década de distancia.

Luego, en noviembre pasado, un equipo de investigadores dirigido por Jafferis, jose lykken del Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi y María Espiropulu de Caltech sorprendió a la comunidad al anunciar que habían llevado a cabo un experimento cuántico que mostraba un devanado de tamaño perfecto, la firma clave pensada para establecer la existencia de un dual gravitacional y, por lo tanto, un agujero de gusano, utilizando solo siete partículas. Aún más sorprendente, pudieron meter el comportamiento de este sistema de siete partículas en un hamiltoniano con solo cinco términos.

Un agujero de gusano holográfico en un chip

El núcleo del trabajo del grupo fue una forma novedosa de podar muchas de esas conexiones de partícula a partícula descritas por el SYK hamiltoniano difícil de manejar. Numerosos físicos han "dispersado" el modelo SYK para un tamaño de nube dado eliminando términos aleatorios y descubriendo que las versiones más simples pueden mantener las propiedades holográficas del hamiltoniano original.

En lugar de eliminar conexiones al azar, Jafferis y sus colaboradores pensaron en utilizar el aprendizaje automático para eliminar de manera inteligente solo las conexiones que no afectan la capacidad de teletransportación de la nube, una estrategia de simplificación elogiada por otros investigadores.

“Pensé que en realidad era muy inteligente”, dijo Gharibyan. "La dispersión me pareció una gran idea".

“Fue una buena idea”, dijo Preskill.

Los investigadores apuntaron al modelo SYK de 10 partículas, que tiene un hamiltoniano de 210 términos. Simularon la teletransportación entre nubes de 10 partículas en una computadora estándar y diseñaron un algoritmo de aprendizaje automático para simplificar al máximo el hamiltoniano sin romper su capacidad de teletransportación. El algoritmo arrojó un hamiltoniano extremadamente escaso que mide solo cinco términos que capturaron la teletransportación entre dos nubes de siete partículas. (El algoritmo de aprendizaje automático aparentemente decidió que tres de las partículas no estaban contribuyendo significativamente al proceso). La ecuación era lo suficientemente simple como para ejecutarse en el procesador cuántico Sycamore de Google, un logro notable.

“Es genial que hayan podido ejecutar algo en hardware cuántico”, dijo Su.

El experimento de Sycamore confirmó que el hamiltoniano podía llevar a cabo la teletransportación, tal como había sido entrenado para hacerlo. Pero lo que realmente entusiasmó a los investigadores fue el hecho de que esta pandilla de qubits también mostraba un devanado de tamaño perfecto, la supuesta firma de un dual gravitacional. De algún modo, un modelo de juguete de un modelo de juguete de un modelo de juguete de la gravedad había logrado mantener la esencia holográfica de su modelo abuelo. Los investigadores parecían haber hecho el equivalente a reducir un tornado a un puñado de moléculas que, a pesar de ser en gran medida incapaces de interactuar entre sí, logran mantener la forma característica de embudo.

“En realidad, también tenían una forma muy buena de medir el tamaño del devanado”, dijo Gharibyan. “Fue bastante emocionante”.

Muchos en el campo se sorprendieron por lo simple que era el modelo de juguete. Un grupo en particular, Yao y sus colegas de Berkeley Bryce Kobrin y Thomas Schuster, comenzaron a investigar cómo un modelo tan simple podría capturar el indescriptible caos de la gravedad.

Demasiado pequeño para revolver

El 15 de febrero, el trío publicó el resultados de su investigacion, que implicó analizar las propiedades matemáticas y el comportamiento de los Naturaleza Hamiltoniano simple del equipo. No ha sido revisado por pares. Su principal hallazgo es que el modelo simple se aparta de su modelo principal de gravedad de manera crucial. Estas diferencias, argumenta el grupo, implican que las señales que los investigadores consideraban características de la gravedad ya no se aplican, y debido a esto, la mejor descripción de lo que el Naturaleza sierra de equipo no es teletransportación gravitacional.

Lo menos gravitacional del hamiltoniano simplificado es que, a diferencia del modelo SYK original, los cinco términos están "totalmente conmutados", lo que significa que no tienen cierto tipo de interdependencia. La conmutatividad hace que sea mucho más fácil simular las nubes de partículas, pero implica que las nubes no pueden moverse caóticamente. Dado que la codificación caótica se considera una propiedad definitoria de los agujeros negros y es un ingrediente esencial en la teletransportación gravitacional, los expertos dudan de que un hamiltoniano tan simple pueda capturar un comportamiento complicado similar al de un agujero de gusano. En pocas palabras, el sistema se parece más a la suave espiral del drenaje del agua del baño que a la turbulencia agitada de los rápidos de los ríos de Clase V.

Los investigadores también propusieron una explicación no gravitacional para la supuesta firma de la holografía, el devanado de tamaño perfecto. El hamiltoniano de cinco términos sí lo tiene, pero también lo tienen otros hamiltonianos conmutativos aleatorios de cinco términos que probaron. Además, cuando intentaron aumentar la cantidad de partículas manteniendo la propiedad de conmutación, la señal del devanado de tamaño debería haberse fortalecido. En cambio, desapareció. Los físicos llegaron a una conclusión que los investigadores no habían captado previamente porque nadie había estudiado modelos tan simples holográficamente: muchos pequeños hamiltonianos que se desplazan completamente parecen tener un devanado de tamaño perfecto, a pesar de que estos modelos no tienen duales gravitacionales. Este hallazgo implica que, en sistemas pequeños, el devanado de tamaño perfecto no es un signo de gravedad. Es solo un efecto secundario de que el sistema sea pequeño.

Ambos grupos se negaron a comentar mientras resuelven sus diferencias a través de publicaciones revisadas por pares. El grupo Yao ha enviado su análisis a Naturaleza, y el grupo de Jafferis, Lykken y Spiropulu probablemente tendrá la oportunidad de responder. Pero cinco expertos independientes familiarizados con la holografía consultados para este artículo acordaron que el nuevo análisis desafía seriamente la interpretación gravitacional del experimento.

sueños holográficos

El futuro holográfico puede no estar aquí todavía. Pero los físicos en el campo aún creen que se avecina, y dicen que están aprendiendo lecciones importantes del experimento Sycamore y la discusión subsiguiente.

En primer lugar, esperan que mostrar una teletransportación gravitacional exitosa no sea tan simple como marcar la casilla de bobinado de tamaño perfecto. Como mínimo, los experimentos futuros también deberán demostrar que sus modelos conservan la caótica codificación de la gravedad y pasan otras pruebas, ya que los físicos querrán asegurarse de que están trabajando con un huracán qubit de categoría 5 real y no solo con un soplador de hojas. . Y acercarse al punto de referencia ideal de números de partículas de tres dígitos en cada lado hará un caso más convincente de que el experimento está funcionando con nubes ondulantes y no con vapores cuestionablemente delgados.

Nadie espera que las computadoras cuánticas rudimentarias de hoy estén a la altura del desafío de los hamiltonianos extenuantemente largos necesarios para simular el trato real. Pero ahora es el momento de comenzar a cincelarlos poco a poco, cree Gharibyan, en preparación para la llegada de máquinas más capaces. Él espera que algunos puedan volver a intentar el aprendizaje automático, esta vez quizás recompensando al algoritmo cuando devuelve hamiltonianos caóticamente codificantes, sin desplazamientos y penalizándolo cuando no lo hace. De los modelos resultantes, cualquiera que aún tenga un devanado de tamaño perfecto y pase otras comprobaciones se convertirá en el modelo de referencia para impulsar el desarrollo de nuevo hardware cuántico.

Si las computadoras cuánticas crecen mientras que los hamiltonianos holográficos se reducen, tal vez algún día se encuentren en el medio. Luego, los físicos podrán realizar experimentos en el laboratorio que revelen el comportamiento incalculable de sus modelos favoritos de gravedad cuántica.

“Soy optimista acerca de hacia dónde va esto”, dijo Gharibyan.