En agosto de 2013, decenas de físicos teóricos de renombre se reunieron en Santa Bárbara, California, para discutir una crisis. Su tenue comprensión de los agujeros negros se estaba desmoronando. Visto desde lejos, como a través de un telescopio, un agujero negro debería comportarse como un planeta, una estrella o cualquier otro conglomerado de partículas elementales. Pero si los físicos creyeron en el trabajo de Albert Einstein, como la mayoría de ellos, entonces se produjeron consecuencias imposibles cuando consideraron el agujero negro desde el punto de vista de alguien que se encontraba justo dentro de sus límites.

Un experimento mental del año anterior había agudizado este choque de perspectivas, poniendo fin abruptamente a un armisticio de dos décadas entre quienes creían que la vista exterior era la fundamental y quienes se centraban en la vista desde adentro. De repente, todo tipo de creencias físicas sacrosantas estaban en debate. Los que estaban detrás del experimento mental sugirieron, desesperadamente, que los interiores de los agujeros negros podrían simplemente no existir, que el espacio-tiempo terminaba en el borde del agujero negro en un literalmente muro de fuego.

Como una extensión de ese pensamiento, un asistente a la conferencia incluso sugirió, en gran parte en broma, que la paradoja parecía implicar que las leyes conocidas de la física podrían romperse en todas partes todo el tiempo, una observación que le valió una risa digna de Comedy Cellar. . Uno de los participantes más jóvenes, daniel harlow, tomó el micrófono y reaccionó con un solo "Amigo" incrédulo, antes de llevar la conversación a un terreno menos herético.

“Hubo una ráfaga” de lluvia de ideas, dijo Patricio Hayden, un informático convertido en físico en la Universidad de Stanford. “La voluntad de la gente de arriesgarse con ideas locas fue impactante”.

Después de otra década de argumentar y calcular, Harlow, ahora físico senior en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, cree que él y un equipo de teóricos prometedores finalmente han encontrado la manera, o al menos una manera, de cuadrar el exterior. y vistas interiores. Al hacerlo, han establecido una especie de distensión entre los mundos en guerra de la relatividad y la teoría cuántica. Su resolución, que entreteje ideas remotas de la teoría de la información cuántica y cálculos innovadores de 2019, es un intento que provoca dolor de cabeza y se ha ganado con esfuerzo para tener el exterior y mantener gran parte del interior también.

“Han logrado demostrar que, al menos en principio, esta tensión se puede resolver”, dijo tom hartman, un físico de la Universidad de Cornell que ha encontrado una característica emblemática de su teoría en otro modelo de gravedad.

Si bien su procedimiento actualmente solo funciona con una caricatura básica de un agujero negro, captura muchas de las características peculiares de las estrellas colapsadas. Si es válido para los agujeros negros reales, responderá de manera concluyente a una serie de preguntas clásicas sobre los agujeros negros, desde lo que experimentaría un astronauta al caer en un agujero negro hasta el destino final de la información contenida en la disposición de sus moléculas.

“Representa hasta cierto punto el final de una revolución, en lugar de un comienzo”, dijo Geoff Penington, físico de la Universidad de California, Berkeley y colaborador del nuevo trabajo.

"Es muy emocionante. Podría estar mal, pero creo que esta es la esencia correcta”, dijo Oliver De Wolfe, físico de la Universidad de Colorado, Boulder y uno de los pocos investigadores que se han basado en la propuesta de Harlow y compañía en el último año.

El grupo se esfuerza por salvar el interior del agujero negro del sacrificio total al infligir una herida superficial: en un giro irónico, Harlow y compañía proponen que las leyes familiares de la física se rompen dentro de un agujero negro, y quizás en todas partes todo el tiempo. Pero lo hacen de una manera previamente desconocida, demasiado sutil para que alguien se haya dado cuenta. En la raíz es una restricción que no proviene de la materia o del espacio-tiempo. Más bien, proviene de argumentos relacionados con la complejidad: las posibilidades esencialmente infinitas contenidas en grandes volúmenes de información cuántica.

De la radiación de Hawking a los cortafuegos

Una sesión en el taller de Santa Bárbara fue dirigida por el arquitecto principal de la revolución del agujero negro. Entrando por skype desde su oficina de Cambridge en una pantalla de proyector expansiva, un enorme Stephen Hawking defendió la noción de que el espacio y el tiempo sobreviven dentro del interior del agujero negro. “Hace algún tiempo escribí un artículo que inició una controversia que ha durado hasta el día de hoy”, comenzó.

Esa controversia se centra en la forma en que los agujeros negros parecen ser escenarios del acto de desaparición más grande del universo.

En 1974 Hawking calculado que alrededor del horizonte de eventos, la esfera sin retorno que rodea un agujero negro, las fluctuaciones cuánticas crean pares de partículas. Uno de los socios cae en el agujero negro mientras que el otro escapa. Con el tiempo, los socios se acumulan tanto dentro como fuera del agujero negro, donde toman vuelo en una nube en expansión de "radiación de Hawking".

El problema comenzó con el hecho de que, según los términos de la mecánica cuántica, cada dúo está vinculado por entrelazamiento, lo que significa que las dos partículas transportan conjuntamente una unidad de información. Cada compañero es como la cara de una moneda, que puede usarse para responder una pregunta de sí o no. Esta capacidad única de sí o no se llama "bit" o "qubit" si el objeto puede existir en una combinación cuántica llamada superposición. Pero a diferencia de las dos caras de una moneda, las partículas entrelazadas pueden separarse. Aún así, si una medición encuentra un socio externo que dice "cara", otra medición seguramente encontrará el socio interno que dice "cruz".

Eso parece entrar en conflicto con una segunda consecuencia del cálculo de Hawking. A medida que el agujero negro irradia partículas, finalmente se evapora por completo. Después de incontables eones, solo queda la nube de radiación. Pero debido a que cada compañero exterior comparte un bit con su compañero interior, la radiación de Hawking por sí sola tiene tan poco sentido como una alcancía llena de monedas de un solo lado. Los qubits de información dentro del agujero negro, que registran la vida del agujero negro y todo lo que ha caído en él, aparentemente desaparecen, un desarrollo absurdo.

"Está bien siempre y cuando esas cosas estén adentro en alguna parte", dijo samir mathur, físico de la Universidad Estatal de Ohio y uno de los coordinadores de la conferencia de 2013. "Pero si el agujero negro desaparece, los chicos de afuera no tienen ningún estado definido".

La desconcertante desaparición de los viejos agujeros negros llevó a los físicos a adoptar uno de dos puntos de vista opuestos, dependiendo de si sus lealtades estaban con la teoría del espacio-tiempo curvo de Einstein, conocida como relatividad general, o con la mecánica cuántica. Hawking, durante muchos años, apostó por Einstein. Si atrapar partículas y borrar sus qubits violaba una prohibición de la mecánica cuántica sobre las monedas de un solo lado, creía Hawking, entonces tanto peor para la mecánica cuántica.

Otros prefirieron mantener el ojo de su mente fuera del agujero negro. Se pusieron del lado de la mecánica cuántica, que garantiza rigurosamente la noción romántica de que la información nunca se pierde realmente. Después de quemar un diario, por ejemplo, uno puede imaginarse capturando la nube de humo, ceniza y calor y reconstruyendo las frases perdidas. Un agujero negro podría revolver las partículas de un diario más violentamente que una hoguera, pero se aplicaría la misma lógica. Si la radiación de Hawking fue todo lo que quedó, entonces la información del texto debe haberse filtrado de alguna manera, sin importar que la teoría del espacio-tiempo de Einstein requiera que permanezca atrapada dentro.

La pieza final de la paradoja fue que el análisis de Hawking había encontrado que la radiación era perfectamente aleatoria, desprovista de información para decodificar. Su trabajo sugirió dos conclusiones contradictorias: que los agujeros negros se evaporan (lo que implica que la radiación debería eventualmente llevarse la información) y que la radiación no transporta información. Ambos no podían tener razón, por lo que la mayoría de los físicos asumieron que Hawking se había equivocado de alguna manera.

Pero su error no fue obvio. Hawking había descubierto tanto la radiación como su aleatoriedad al analizar la forma en que los campos cuánticos actúan en un espacio-tiempo suavemente curvado, un marco rigurosamente probado conocido como física semiclásica. El enfoque semiclásico de Hawking se basó solo en aspectos de la mecánica cuántica y la relatividad general que parecían irreprochables. Tratamientos similares forman los cimientos de la mayoría de las teorías modernas, incluido el célebre Modelo Estándar de la física de partículas.

Los físicos esperan que la física semiclásica flaquee cuando la gravedad se vuelva intensa, como sucede en el centro aún inescrutable de un agujero negro, mucho más allá de su horizonte de eventos. Pero para los grandes agujeros negros, el horizonte de eventos en sí mismo debería ser mayormente inofensivo; un astronauta curioso y bien provisto podría caer y sobrevivir durante mucho tiempo antes de encontrarse con su inevitable desaparición cerca del centro. De hecho, en el horizonte del gigantesco agujero negro en el centro de la galaxia M87, el primer agujero negro para ser fotografiado directamente, la gravedad no atrae mucho más que en la Tierra. Si Hawking estaba haciendo suposiciones semiclásicas defectuosas, también lo están haciendo todos los demás en el planeta. “Si las leyes de la física descritas por [la física semiclásica] funcionan aquí en la Tierra”, dijo alex maloney, físico de la Universidad McGill, "¿por qué no deberían trabajar en el horizonte de eventos?"

Después de décadas de debate sobre el supuesto error de Hawking, algunos físicos intentaron negociar una tregua entre las dos partes. En 1993, Leonard susskind de la Universidad de Stanford comenzó a defender la opinión de que no había error. En términos generales, el conflicto surgió de una aspiración poco realista de tener en la mente tanto el interior como el exterior del agujero negro al mismo tiempo.

En cambio, argumentaron Susskind y sus colaboradores, la historia que contaría un astronauta en el exterior era simplemente diferente de la que contaría un astronauta al caer. Un astronauta a lo lejos sería testigo de cómo su compañero se desplomaba sobre la superficie del agujero negro, que se ondularía al absorber al intruso. Verían cómo la información se propagaba por la cara del agujero negro y finalmente se disipaba como radiación, sin desaparecer nunca en el interior. Sin embargo, desde la perspectiva del acompañante, entra de forma segura en el agujero negro, donde tanto ella como su información quedan atrapadas. Su relato difiere del de su amiga, pero dado que no puede enviar un mensaje para contradecir su informe, ¿existe realmente un problema? Las dos narrativas podrían ser, en cierto sentido, complementarias.

“Siempre me pareció confuso”, dijo De Scott Aaronson, un científico informático teórico de la Universidad de Texas, Austin, pero "la gente se decidió por eso durante una década o dos".

En 2012, llegaron cuatro físicos y quemaron el argumento de la complementariedad hasta los cimientos. Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joseph Polchinski y James Sully, un escuadrón comúnmente llamado por sus iniciales, AMPS, detalló una estrategia de dos pasos. experimento mental eso permitiría que un solo observador sea testigo del agujero negro escondiendo información en dos lugares a la vez.

Primero, un astronauta afuera recoge cada partícula que emite un agujero negro a lo largo de la mayor parte de sus 10⁶⁷-año de vida. Suponiendo que la información entre en la radiación, algunos socios exteriores deben haberse enredado entre sí, dándoles estados definidos. El astronauta analiza estas partículas y confirma que están entrelazadas. “Suponga que tiene una subvención [de investigación] muy larga”, dijo Aaronson.

Luego se sumerge en el agujero negro y confirma que algunas parejas que estudió en el exterior también están enredadas con parejas en el interior. El cálculo semiclásico de Hawking indica que encontrará esto, lo que implica que lo que parecían monedas justas de dos caras fuera del agujero negro esconden una tercera cara ilegal dentro.

AMPS había demostrado que no había manera de esconderse de la paradoja de Hawking. Se pusieron del lado de mala gana de la mecánica cuántica fuera del agujero negro y, como consecuencia, sacrificaron el espacio interior: tal vez el agujero negro evaporó la materia que caía con un "cortafuegos" en el horizonte, evitando que los astronautas entrometidos terminaran el experimento. “El agujero negro simplemente no tiene ningún interior”, dijo Aaronson, describiendo su conclusión. “Cuando intentas saltar, te encuentras con el fin del espacio-tiempo”.

Nadie se sintió bien con esta idea, ya que no había indicios de la física semiclásica de que pasar el horizonte debería sentirse diferente de cruzar la frontera de Illinois a Iowa. La comunidad organizó una serie de talleres para pensar en formas de salir del lío, que culminó con la Encuentro de Santa Bárbara.

“Tuvimos unos meses divertidos en los que todos intentaron matar ese argumento y no tuvieron éxito”, dijo Harlow.

En medio del caos, Harlow formó una colaboración con Hayden, entonces un científico informático, para estudiar qué se necesitaría para que un astronauta realmente hiciera el experimento AMPS. Trataron al agujero negro como un dispositivo de encriptación cuántica, algo que toma información legible (materia normal) y escupe lo que parece ser información codificada (la radiación). En este contexto, uno podría imaginar llevar a cabo el experimento AMPS utilizando una máquina para descifrar la información, una máquina como una computadora cuántica. Y con un resultado clave de la tesis doctoral de Aaronson sobre los límites de la computación cuántica, descubrieron algo curioso.

Un agujero negro pulveriza la materia que cae tan profundamente que si un astronauta le encargara a una computadora cuántica que descifrara la radiación, la tarea llevaría eones. Tomaría tanto tiempo que el agujero negro desaparecería antes de que la barra de progreso alcanzara incluso una fracción del 1%. Y para entonces, el astronauta no sería capaz de saltar para captar la información del exterior en el interior, porque el interior no existiría.

“Esa fue una observación con la que realmente no sabíamos qué hacer”, dijo Harlow. “Finalmente, 10 años después, sabemos qué hacer con él”.

Cómo hacer espacio-tiempo en una computadora cuántica

Después del trabajo de 2013, Harlow dejó de lado los agujeros negros para centrarse en un problema más simple: el espacio vacío en sí. Comenzó a estudiar un tipo poco realista de espacio invertido conocido como espacio anti-de Sitter que también admite dos descripciones muy diferentes, al igual que los agujeros negros.

"Si entiendo lo suficientemente bien el espacio anti-de Sitter, eso sugerirá la forma de avanzar, volver a los agujeros negros", recordó haber pensado Harlow. “Y eso de hecho ha funcionado”.

Los físicos están fascinados con el espacio anti-de Sitter porque se curva de una manera exótica que permite que un volumen infinito de espacio quepa dentro de un límite finito. Aún más sorprendente, parece haber una forma de reformular cualquier evento que tenga lugar en el espacio anti-de Sitter en términos de partículas que viven en el límite, que juegan con reglas físicas completamente diferentes. Un sistema solar en la región central anti-de Sitter, por ejemplo, puede describirse como una colección de partículas dispersas alrededor del límite que obedecen solo a la teoría cuántica y no tienen ningún sentido de la gravedad o del espacio-tiempo.

La pregunta principal para Harlow era cómo las partículas en el límite, que no tienen concepto de espacio-tiempo, podrían capturar la experiencia de un habitante de un planeta en la región central, para quien el espacio-tiempo es innegablemente importante. De manera ingenua, podríamos esperar encontrarnos con un problema en el que los eventos de límite podrían reverberar instantáneamente en todo el medio, un lugar donde los efectos deberían tardar en propagarse. Debido a ese problema, la relación entre las partículas del límite y el espacio-tiempo central debe ser débil, de modo que los cambios en el límite no afecten inmediatamente al medio, pero no tanto como para que el límite pierda por completo la noción de lo que sucede en el centro. .

“Tienes que ser independiente de todas las piezas del sistema, pero no del sistema, que es como aaargh”, dijo Harlow, alzando las manos con frustración.

Finalmente, Harlow se dio cuenta de que un grupo de investigadores ya había resuelto el problema. No habían estado pensando en absoluto en la estructura del espacio-tiempo. Estaban inventando formas para que las computadoras cuánticas corrigieran sus errores.

Para tener una idea de cómo la corrección de errores encarna la relación Goldilocks que buscaba Harlow, considere un esquema simple para codificar un mensaje clásico de un bit en una transmisión de tres bits. Para indicar 1, transmita 111. Para indicar 0, transmita 000. Incluso si ocurre un error, el receptor puede simplemente obtener una mayoría de votos. Seguirá entendiendo que 001 significa 0, o 011 significa 1. Un solo error no estropea el mensaje, porque la información vive en todos los dígitos. El mensaje es independiente de cada pieza individual, pero no de toda la transmisión, justo lo que necesitaba Harlow. Corrección de errores cuánticos en qubits (a diferencia de los bits clásicos) requiere esquemas más complicados, pero los dos problemas comparten esta característica de difuminar información entre múltiples piezas. en 2014, Harlow colaboró ​​con Almheiri de AMPS y Xi Dong de la Universidad de California, Santa Bárbara para explicar cómo los códigos de corrección de errores cuánticos podría distribuir información de espacio-tiempo anti-de Sitter entre qubits de límite.

La esencia de la idea era la siguiente. Imagine el punto central en el espacio anti-de Sitter como un mensaje de un bit. Las partículas límite son los dígitos de la transmisión. Divide el límite en tres arcos. Las partículas de cualquiera conocen los puntos anti-de Sitter dentro de la región adyacente. Pero no conocen puntos fuera de esa región. Ningún arco individual conoce el punto central, una situación que recuerda cómo ningún dígito de transmisión individual es suficiente para reconstruir el mensaje.

Pero el punto central se encuentra dentro de la región combinada que pertenece a dos arcos cualesquiera, lo que hace eco de cómo dos dígitos de transmisión son suficientes para descifrar el mensaje. De esta manera, la corrección de errores parecía ser un lenguaje adecuado para comprender el espacio anti-de Sitter vacío desde dos perspectivas: ya sea como espacio-tiempo normal o, curiosamente, como una colección de qubits cuánticos sin espacio.

“Esto es algo sorprendente”, dijo DeWolfe. La información cuántica no es solo para construir computadoras cuánticas. "Resulta que estas son ideas lo suficientemente importantes como para que la gravedad cuántica las use".

Harlow había logrado vincular las dos formas de ver el espacio-tiempo. El único problema fue que el marco no cumplió con su propósito previsto. Cuando el espacio-tiempo contenía un agujero negro, la corrección del error cuántico falló.

Ya en 2012, los físicos habían planteado la idea de abordar el interior del agujero negro con códigos de corrección de errores. Pero una vez más, las perspectivas contradictorias de los cálculos de Hawking los habían dejado perplejos. Un astronauta dentro del horizonte de eventos vería caer indefinidamente a los compañeros de radiación que caen. La capacidad de información del agujero negro, si lo imaginas como un disco duro cósmico, sube y sube a lo largo de su vida.

Mientras tanto, un astronauta fuera de un agujero negro en sus años dorados lo vería literalmente reducir su tamaño a medida que se evapora. Para lograr la aspiración de cuadrar las dos perspectivas con corrección de errores, Harlow parecía necesitar una forma de codificar el interior creciente en su límite menguante, una tarea como pedirle a un marinero que coloque el mensaje "SOS" en una transmisión de un solo carácter.

“La historia excluyó el interior de los agujeros negros”, dijo cristobal akers, un investigador del MIT que, como estudiante de posgrado de segundo año en 2016, se inspiró en un influyente artículo de corrección de errores de Harlow. "Eso me sentó raro, así que pasé mucho tiempo pensando en cómo podrías incluir los agujeros negros de una mejor manera".

Le tomaría cuatro años encontrar uno y otro año para ayudar a convencer a Harlow de que tenía algún sentido.

Una receta para el escape de información

Mientras Harlow y Akers desconcertaban por separado el interior de un agujero negro, una constelación de investigadores estaba a punto de romper el exterior. Penington, un físico británico en ascenso, fue uno de los jugadores clave. Se había perdido el drama del cortafuegos en la conferencia de Santa Bárbara, ya que en 2013 tenía 21 años y estaba en medio de sus estudios universitarios en la Universidad de Cambridge.

Cuando Penington visitó Stanford en 2015 como posible estudiante de posgrado, se sintió dividido entre estudiar la gravedad cuántica y la información cuántica para su doctorado. Entonces conoció a Hayden. Penington se sorprendió al descubrir que su madre, Frances Kirwan, matemática de Oxford, había sido una de las supervisoras de posgrado de Hayden, y que Hayden, un canadiense nativo, había ayudado a su madre a planificar un viaje en canoa a la zona rural de Ontario que él había realizado cuando tenía 8 años. Le sorprendió aún más saber que Hayden estaba en el centro del esfuerzo por explicar los agujeros negros con qubits, combinando los dos intereses de Penington. La pareja decidió trabajar juntos.

Hayden y Penington comenzaron con lo que pensaban que era un problema abstracto sobre códigos de corrección de errores imperfectos, publicando un papel de información cuántica salpicada en 2017. Ese trabajo no mencionaba los agujeros negros o el espacio-tiempo, pero el próximo año trajeron sus códigos al espacio anti-de Sitter. Eventualmente, siguiendo una fórmula desarrollada en 2014 por netta engelhardt, un compañero físico milenario, Penington llegó a sospechar que una región particular del espacio anti-de Sitter estaba rastreando la entropía, una cantidad relacionada con la capacidad de información de la nube de radiación de Hawking enredada que sale de un agujero negro. Pasó el invierno de 2018-2019 trabajando sin ayuda en los detalles para verificar su corazonada.

“Es lo más duro que he trabajado continuamente en física en mi vida”, dijo Penington. “Estuve de vacaciones en México durante la Navidad, pero en secreto pensaba en ello todo el tiempo. Mis amigos seguían preguntando: '¿Por qué estás tan callado?'”

Casi al mismo tiempo, Engelhardt estaba realizando un cálculo esencialmente idéntico. A principios de 2019, unió fuerzas con Almheiri y Marolf de AMPS y Henry Maxfield en Stanford para usar la fórmula de 2014, que da la entropía en una situación que involucra la gravedad, para estudiar la información en la radiación entrelazada fuera del agujero negro.

Los dos equipos obtuvieron la misma respuesta, que dieron a conocer en coordinado papeles en mayo de 2019. Los cálculos consistieron en contar las "cabezas" en la radiación exterior, lo que indica cuántas "colas" enredadas están ocultas dentro del agujero negro. Para los agujeros negros jóvenes y vacíos, el número de caras de monedas separadas aumenta a medida que el horizonte de eventos divide los pares de Hawking, tal como esperaba Hawking. Pero con la edad, la cantidad de caras separadas comienza a disminuir, lo que implica que el agujero negro se ha llenado y de alguna manera está vaciando información hacia la radiación exterior, tal como lo requiere la mecánica cuántica.

“Estos artículos de mayo fueron realmente asombrosos”, dijo Harlow. Le impresionó que tuvieran “las agallas para hacer el cálculo. Hubiera pensado que era demasiado difícil”.

Por fin, Penington, Engelhardt y sus colaboradores creyeron entender lo que sucedía fuera del agujero negro. De hecho, la información se estaba filtrando en la radiación, como habían supuesto muchos físicos. Este hecho tuvo tres consecuencias cruciales.

Primero, redujo las posibilidades del error de Hawking. La radiación no podía ser realmente aleatoria, entonces, ¿por qué la física semiclásica, por lo demás confiable, sugirió que lo era?

En segundo lugar, movió su frontera de comprensión desde el exterior del agujero negro hacia el interior. ¿Cómo experimentaría la evaporación un astronauta justo dentro del horizonte de sucesos de un viejo agujero negro?

Finalmente, sugirió que el marco semiclásico de Hawking era casi correcto, y que dar el primer paso hacia el interior no debería requerir una teoría completa de la gravedad cuántica. Habían logrado analizar el exterior utilizando ingredientes familiares del espacio-tiempo. Pero con solo una receta ligeramente modificada (la fórmula de entropía de 2014) descubrieron que la información se escapa del interior. Los cálculos les hicieron sentir seguros de que no es necesario abandonar la visión semiclásica del interior del agujero negro. Los cortafuegos parecían cada vez más un paso demasiado lejos.

“Si descartamos la descripción del interior, descartamos al bebé con el agua del baño”, dijo Engelhardt. “Hay una manera de usar la gravedad semiclásica para hacer un cálculo que es correcto”.

Engelhardt, un experto en entropía gravitacional, tenía algunas de las piezas y parecía que Harlow tenía algunas más. La oficina de Engelhardt en el MIT comparte una pared con la de Harlow, por lo que era natural que unieran sus fuerzas. Casi al mismo tiempo, Akers se mudó al MIT para convertirse en su posdoctorado, y los tres comenzaron a escoger el problema.

Cómo romper el espacio-tiempo en una computadora cuántica

Cuando la pandemia obligó al mundo a entrar a principios de 2020, el trío de académicos trasladó sus experimentos mentales sobre agujeros negros de las pizarras del MIT al entorno digital de Zoom.

Su objetivo era reunir todos los hilos y desarrollar una especie de proceso de conversión para convertir la perspectiva interior semiclásica en la perspectiva exterior de la mecánica cuántica. Tal teoría sería útil para un astronauta justo dentro del agujero negro. Podía tomar una instantánea de su entorno, ejecutar el procedimiento y obtener una imagen que le dijera lo que estaba viendo un colega afuera. Si bien las dos fotografías pueden parecer capturar eventos diferentes, Rashomon estilo, la conversión debe revelar que las escenas son secretamente compatibles. Sería un renacimiento más sofisticado de la visión de complementariedad de Susskind.

Akers ya se había convencido a sí mismo de que el programa de conversión debería estar escrito en el lenguaje de corrección de errores cuánticos, como Harlow ya había descubierto para el espacio vacío. El interior semiclásico sería el mensaje, y el exterior cuántico sería la transmisión. Y dado que el interior parecía crecer dentro de un horizonte cada vez más pequeño, solo tendrían que inventar un código de corrección de errores que pudiera meter un SOS en una sola S.

Akers enfrentó el escepticismo de sus colegas. La forma en que la codificación tendría que eliminar la información dentro del agujero negro violaba la prohibición de la mecánica cuántica contra la pérdida de información. Si la astronauta del interior quemó su registro de misión, es posible que no pueda reconstruir una réplica a partir de las cenizas.

“Si estás modificando la mecánica cuántica, la gente pensará que estás loco y, por lo general, tendrán razón”, dijo Harlow. "Estaba indeciso".

Más tarde ese año, una estudiante de posgrado del MIT (ahora en Stanford) llamada Shreya Vardhan se unió al equipo. Hizo algunos cálculos de entropía concretos que finalmente convencieron a todos de que romper ligeramente la mecánica cuántica en el interior era la única forma de salvarlo por completo en el exterior.

“Shreya y Chris en particular estaban impulsando eso de diferentes maneras”, dijo Harlow. “Shreya rompió la última barrera para mí y me di cuenta de que esto realmente tiene sentido”.

Akers había estado trabajando con Penington, así que también se involucró. El esfuerzo tomó algunos años de trabajo intermitente. Y justo cuando se sentaron a escribir sus resultados, tres quintas partes del equipo se enfermaron simultáneamente con Covid-19. Pero en julio pasado finalmente publicó una preimpresión detallando su teoría de cómo el interior del agujero negro podría codificarse en su exterior con el código de corrección de errores más extraño del mundo.

Así es como funciona. Una astronauta abnegada dentro del agujero negro registra la configuración de todos los fotones, electrones y otras partículas que la rodean y el agujero negro: un archivo de datos cuánticos compuesto por un montón de qubits que capturan su experiencia semiclásica. Su objetivo es comprender la perspectiva cuántica de su pareja afuera en ese momento. El grupo desarrolló un algoritmo de dos pasos que uno podría imaginar ejecutándose en una computadora cuántica para convertir esa instantánea interior.

Primero, el programa codifica los qubits semiclásicos casi más allá del reconocimiento usando una de las transformaciones más aleatorias en matemáticas.

Luego viene la salsa secreta. El segundo paso implica la postselección, una extraña operación más utilizada por los teóricos de la información que por los físicos. La postselección permite que un experimentador manipule un proceso aleatorio para obtener el resultado deseado. Digamos que quieres lanzar una moneda y obtener 10 caras seguidas. Puedes hacerlo, siempre que tengas la paciencia para empezar de nuevo cada vez que salga cruz. De manera similar, el programa de codificación comienza a medir los qubits semiclásicos, pero se reinicia cada vez que obtiene un 1. Eventualmente, cuando ha medido la mayoría de los qubits codificados y obtenido con éxito una cadena de ceros, desecha esos qubits. Los pocos qubits restantes no medidos representan los píxeles de la imagen cuántica del agujero negro visto desde el exterior. Por lo tanto, el código comprime un gran archivo RAW semiclásico en un JPEG cuántico compacto.

Es “una forma con pérdidas de comprimir mucha información semiclásica en un espacio cuántico finito”, dijo Hartman de Cornell.

Pero hay una gran trampa. ¿Cómo podría un programa así borrar tanta información semiclásica sin borrar ningún detalle esencial? El procedimiento implica que la física semiclásica está llena de pelusa: configuraciones de partículas que el astronauta interior podría observar que en realidad no son reales. Pero la física semiclásica ha sido rigurosamente probada en colisionadores de partículas en la Tierra, y los experimentadores no han visto signos de tales espejismos.

“¿Cuántos estados están codificados de manera confiable? ¿Y qué tan bien puede hacerlo la teoría semiclásica? dijo Hartmann. "Dado que tiene que ser con pérdidas, no es obvio que pueda hacer nada en absoluto".

Para explicar cómo una teoría defectuosa podría funcionar tan bien, el equipo recurrió a la extraña observación que habían hecho Hayden y Harlow en 2013, que decodificar la radiación para el experimento AMPS tomaría tantos pasos que sería imposible. Quizás la complejidad podría estar ocultando grietas en la física semiclásica. La codificación no eliminaba configuraciones de cualquier manera. Borró solo ciertos arreglos de partículas que eran complejos en el sentido de que tardarían tanto en aparecer que el astronauta interior nunca podría esperar presenciarlos.

Argumentar que el código dejó estados simples esencialmente intactos constituyó la mayor parte del trabajo. El grupo argumentó que, para cualquier versión de su proceso de dos pasos, la creación de una configuración semiclásica compleja sin contrapartida desde la perspectiva externa llevaría esencialmente una eternidad, algo así como 10,000 50 veces la edad actual del universo solo para una unidad subatómica de 87 qubits. mota de un agujero negro. Y para un agujero negro real, como M10 con sus XNUMX⁷⁰-Qubits impares, un experimento que rompió la física semiclásica tomaría exponencialmente más tiempo que eso.

El equipo propone que los agujeros negros resaltan una nueva falla en el marco establecido de la física. Así como Einstein predijo una vez que la noción de distancias rígidas de Newton fallaría a velocidades suficientemente altas, ellos predicen que la física semiclásica falla en experimentos extremadamente complejos que implican un número impensable de pasos y períodos de tiempo incomprensibles.

Los cortafuegos, cree el grupo, serían una manifestación de tal complejidad impensable. Un agujero negro real como el de M87 solo ha existido durante miles de millones de años, no lo suficiente como para que el interior semiclásico se rompa en un cortafuegos. Pero si uno fuera capaz de hacer experimentos increíblemente complicados, o si un agujero negro viviera durante un tiempo extremadamente largo, todas las apuestas semiclásicas estarían canceladas.

“Hay una frontera de complejidad”, dijo Harlow. “Cuando comienzas a hacer cosas exponenciales, entonces [la física] realmente comienza a ser diferente”.

Salvados por la maldición de la complejidad

Una vez que los físicos se convencieron de que la pérdida del código no conduciría a grietas notables en la física semiclásica dentro del agujero negro, el equipo investigó las consecuencias. Descubrieron que el error aparente resultó ser la última característica.

“Parece malo. Parece que va a perder información porque está eliminando muchos estados”, dijo Akers. Pero "resulta que es todo lo que siempre quisiste".

En particular, va más allá del trabajo de 2019 al abordar cómo la información sale del agujero negro. O más bien, sugiere que, para empezar, los qubits no están exactamente dentro.

El secreto está en el funky segundo paso de la conversión, la postselección. La postselección involucra los mismos ingredientes matemáticos, a saber, la medición de los socios entrelazados, como un proceso cuántico de libro de texto que teletransporta información de un lugar a otro. Entonces, si bien el proceso de conversión no es un evento físico que se desarrolla en el tiempo, explica cómo la información parece cambiar del interior al exterior.

Esencialmente, si el astronauta interior convierte una instantánea tomada al final de la vida del agujero negro, aprenderá que la información que parece residir en partículas a su alrededor, o incluso en su propio cuerpo, es desde la perspectiva externa que en realidad flota en el Hawking. radiación exterior. A medida que pasa el tiempo, el proceso de conversión revelará cada vez más que su mundo es irreal. El instante antes de que desaparezca el agujero negro, a pesar de la impresión de lo contrario de la astronauta, su información existirá casi en su totalidad en el exterior, revuelta en la radiación. Al rastrear este proceso, instantánea por instantánea, el grupo pudo derivar la fórmula de entropía de Engelhardt que había encontrado información en la radiación en 2019. También es un subproducto de la pérdida de la conversión.

En resumen, la conversión explica cómo un astronauta podría, sin saberlo, experimentar un interior que se separa cada vez más de la realidad exterior a medida que madura. Argumentan que el error de Hawking fue ponerse completamente en las botas del astronauta interior y asumir que la física semiclásica funcionaba perfectamente tanto dentro como fuera del agujero negro.

No se dio cuenta, como creen ahora Harlow y compañía, de que la física semiclásica no captura con precisión los fenómenos y experimentos que requieren una complejidad exponencial. Decodificar la información codificada en la radiación tomaría un tiempo exponencialmente largo, por ejemplo, razón por la cual su análisis semiclásico predice erróneamente que la radiación no tendrá rasgos distintivos. Las características están ahí; simplemente se necesitarían muchas, muchas veces la edad del universo para descubrirlos.

Además, hay una razón por la que la capacidad de información del interior parece crecer mientras que el tamaño de la superficie del agujero negro se reduce: el cálculo semiclásico incluye erróneamente una gran cantidad de estados complejos que no tienen contrapartidas cuánticas en el exterior. Si los físicos tienen en cuenta las formas en que la complejidad puede interferir con la física semiclásica, el choque entre la imagen del espacio-tiempo en el interior y la imagen cuántica en el exterior se evapora.

“Ahora vemos una forma consistente a través de la paradoja”, dijo Harlow.

Confusión de agujero negro

Sin embargo, para toda la confianza de Harlow, otros en la comunidad de agujeros negros tienen muchas preguntas.

La principal limitación es que las teorías que conecta el código son extremadamente simples. La descripción mecánica cuántica tiene una colección de qubits que irradian información. La descripción semiclásica tiene un interior separado de un exterior por un horizonte de sucesos. Y eso es. No hay gravedad, ni sentido del espacio-tiempo. El código tiene las características centrales de la paradoja, pero carece de muchos detalles que serían necesarios para argumentar que los agujeros negros reales funcionan de esta manera.

“La esperanza, como siempre, es que tenga un modelo de juguete en el que haya extraído toda la física importante y descartado toda la física sin importancia”, dijo Maloney. “Hay muy buenas razones para pensar que eso es cierto aquí, pero, sin embargo, es importante ser cauteloso”.

Existen muchas soluciones alternativas, y la gravedad real aún podría resolver la paradoja de una de esas maneras. Mathur del estado de Ohio, por ejemplo, dirige un programa de investigación que estudia una de esas opciones. Mientras analizaba lo que le sucedería a una estrella que colapsa en la teoría de cuerdas, él y sus colaboradores descubrieron que las cuerdas pueden detener el colapso. Forman una masa que se retuerce, un “bola de pelusa”, cuyo intrincado movimiento detendría la formación de un horizonte de eventos, y una paradoja. Mathur plantea varias objeciones a la nueva solución y, en general, cree que el código con pérdidas es una propuesta demasiado complicada. “La paradoja de la información se resolvió hace mucho tiempo”, dijo. (Por fuzzballs.)

Mientras tanto, Marolf, quien trabajó con Engelhardt para detectar la información en la radiación en 2019, sospecha que su solución puede ser demasiado conservadora. “Mi preocupación es que es casi demasiado fácil”, dijo.

Se ahoga con la pérdida, lo que significa que el código en su forma actual solo da respuestas únicas al astronauta interior. Si un astronauta exterior toma una foto y quiere saber qué dice sobre el interior, tendrá que adivinar los píxeles semiclásicos que borra el código. Aunque esos estados son en cierto sentido ilusorios, son esenciales para comprender la experiencia humana interna. Para algunas conjeturas, podría encontrar un interior tranquilo. En otros, un cortafuegos furioso. No importa cuán refinada sea la teoría cuántica en el exterior, nunca podrá decir con seguridad qué encontraría si se metiera.

“Me perturba un poco”, dijo Marolf. “Hubiera pensado que una teoría fundamental debería predecirlo todo, incluso lo que experimentamos como realidad”.

Pérdida en aumento

Desde entonces, algunos escépticos de la propuesta inicial han aceptado la idea, incluidos Isaac Kim, científico informático de la Universidad de California, Davis, y John Preskill, físico cuántico del Instituto de Tecnología de California y una de las luminarias que asistieron a el enfrentamiento de cortafuegos de 2013.

“Escuchamos a través de la vid que este trabajo vendría”, dijo Kim. “Parecía que algo tenía que salir mal”.

Kim estaba desconcertado por el uso de la postselección. Las aplicaciones pasadas de postselección habían incluido planos para máquinas del tiempo y computadoras cuánticas irrazonablemente poderosas, por lo que su aparición saltó como una bandera roja. Sospechaba que los detalles que faltaban en el código inicial, como la forma en que funciona para un astronauta que mide la radiación en el exterior y luego cae dentro, podrían combinarse con la selección posterior para estropear incluso la perspectiva externa y eliminar información allí.

Luego, en diciembre, Kim y Preskill actualizado el código y descubrió que el agujero negro continuaba irradiando información de forma segura en la imagen externa. También descubrieron que la postselección no sirvió como escapatoria para que el agujero negro realizara cálculos absurdamente poderosos, o enviara astronautas de regreso al futuro.

“Sorprendentemente dentro de este modelo, a pesar de que permite la postselección, eso no sucede”, dijo. “Eso es lo que me convenció de que algo correcto está pasando aquí”.

DeWolfe y su colaborador Kenneth Higginbotham generalizó aún más el código con pérdida en abril. También concluyeron que podría resistir la caída de los astronautas.

Otros investigadores han pasado los últimos meses comprobando si sus teorías favoritas de la gravedad ocultan la pérdida. En octubre, Arjun Kar de la Universidad de Columbia Británica portó el código con pérdida de Harlow y sus colegas en una conocida teoría de la gravedad 2D y descubrió que se mantenía. “Realmente parecen haber dado con algo interesante sobre la corrección de errores cuánticos”, dijo.

Continuar por este camino, buscando la pérdida en más teorías de la gravedad, es la principal forma en que los físicos esperan construir o destruir la confianza de que la gravedad real realmente funciona así. Pocos sueñan con sondear el código con un experimento.

"No está claro cómo probaríamos esta cuenta", dijo Aaronson, "excepto para intentar construir una teoría cuántica de la gravedad sobre ella y ver si esa teoría tiene éxito".

Harlow, sin embargo, es un soñador. “No creo que sea imposible. Es simplemente difícil”, dijo, presentando el siguiente experimento mental.

Pones un pequeño agujero negro en una caja y capturas cada fotón de radiación de Hawking que sale, almacenando toda esa información en una computadora cuántica. Debido a que esa información parecería existir dentro del agujero negro desde el punto de vista de una partícula interior, manipular la radiación podría afectar instantáneamente a la partícula, una acción real a una distancia lo suficientemente espeluznante como para obsesionar a cualquier físico. “No debería haber nada que pueda hacerle a la radiación que cambie nada en el interior”, dijo Harlow. “Ese es un colapso que se produjo porque cruzaste la frontera de la complejidad”.

Pero incluso para fantasear con tal experimento, Harlow tiene que cambiar a un universo eterno para tener suficiente tiempo, ya que la actividad en nuestro cosmos en expansión se agotaría billones de veces antes de que uno pudiera esperar manipular la radiación del más pequeño de los agujeros negros. (Además, Susskind y otros que trabajan en un ángulo relacionado del rompecabezas del agujero negro han encontrado recientemente ideas superpuestas relacionadas con la complejidad y períodos de tiempo insondablemente largos).

Sin embargo, Harlow no se deja intimidar por detalles menores como la muerte térmica del universo. Si los experimentos mentales imposibles que involucran trenes que viajan casi a la velocidad de la luz fueron lo suficientemente buenos para Einstein, él cree que son lo suficientemente buenos para él.

“Todavía no tenemos los trenes, pero [la relatividad] tiene consecuencias para varias otras cosas que probamos”, dijo.

Harlow es el último de una larga línea de físicos de agujeros negros con una relación con la evidencia física que los observadores casuales pueden encontrar sorprendentes. Después de todo, nadie ha visto nunca un fotón de radiación de Hawking, y nadie lo verá nunca. Es demasiado débil, incluso si estacionases el telescopio espacial James Webb en órbita alrededor de un agujero negro real.

Pero eso no ha impedido que varias generaciones de físicos, desde Stephen Hawking y Leonard Susskind hasta Netta Engelhardt, Chris Akers y docenas más, debatan enérgicamente cómo manejar el conjunto de conflictos que surgen del agujero negro junto con el baño teórico. de fotones.

Incluso mientras construyen y fortalecen sus casos, reconocen que la única forma concluyente de ver si los agujeros negros representan la prisión cósmica definitiva o una feroz sentencia de muerte es embarcarse en el experimento mental impensable original.

“Si hay dos personas a las que nada les importa más que resolver su desacuerdo, todo lo que pueden hacer es intervenir”, dijo Penington. "O ambos se vaporizan instantáneamente y nunca lo resuelven de todos modos, o lo logran adentro y uno de ellos dice: 'Oh, es justo, estaba equivocado'".

Nota del editor: varios de los científicos que aparecen en este artículo, incluidos Daniel Harlow y Chris Akers, han recibido financiación de la Fundación Simons, que también financia esta revista editorialmente independiente. Las decisiones de financiación de la Fundación Simons no tienen influencia en nuestra cobertura. Más detalles son disponible aquí.