Els forats de cuc podrien existir? Aconsegueixen simular-ne un amb un ordinador quàntic

En un experiment que toca la majoria de misteris de la física moderna, un grup d'investigadors han anunciat aquest dimecres que han simulat un parell de forats negres en un ordinador quàntic i han enviat un missatge entre ells a través d'una drecera en l'espai-temps anomenada forat de cuc. Els físics han descrit la fita com un altre petit pas en l'esforç per entendre la relació entre la gravetat, que dona forma a l'univers, i la mecànica quàntica, que governa el regne subatòmic de les partícules.

"El que hem aconseguit, en construcció i estructura, és un mini forat de cuc", explica Maria Spiropulu, física de l'Institut de Tecnologia de Califòrnia i líder d'un consorci anomenat Quantum Communication Channels for Fundamental Physics, que ha dut a terme la investigació. I esperen poder anar més enllà. En un informe a Nature, els investigadors diuen que és "un intent reeixit d'observar la dinàmica de forats de cuc transitables en un entorn experimental".

El forat de cuc que Spiropulu i els seus col·legues han creat no és un túnel a través de l'espai físic real, sinó més aviat a través d'un espai bidimensional "emergent". Els "forats negres" no eren reals, no es podien empassar l'ordinador, sinó que són línies de codi en un ordinador quàntic. En sentit estricte, els resultats s'apliquen només a un model simplificat d'un univers, en particular, un que s'assembla a un holograma. És una representació de la realitat, una mica de la manera que l'etiqueta d'un tetrabric de sopa en descriu el contingut.

Els resultats d'aquest experiment no permetran fer un metro còsmic per recórrer la galàxia, com els de Jodie Foster a la pel·lícula Contact o Matthew McConaughey a Interstellar. ¿Es pot dir que la simulació és un autèntic forat negre? Daniel Jafferis, professor de física a Harvard, contesta que prefereix el terme "forat negre emergent". Ell i Alexander Zlokapa, estudiant de doctorat a l'Institut de Tecnologia de Massachusetts (MIT), són els autors principals de l'article.

Els físics han reaccionat amb interès i cautela, preocupats perquè el públic i els mitjans de comunicació pensessin erròniament que s'havien creat forats de cuc físics reals. És tan real com ho seria un forat de cuc "dibuixat amb paper i llapis", assegura Scott Aaronson, expert en informàtica quàntica de la Universitat de Texas. Daniel Harlow, físic del MIT, assegura que la simulació "no ens ensenya res sobre la gravetat quàntica que encara no sabéssim". Tot i això, ho veu "emocionant com a assoliment tècnic, perquè si ni tan sols podem fer-ho (i fins ara no podíem), aleshores simular teories de gravetat quàntica estaria fora del nostre abast". Desenvolupar ordinadors prou grans per fer-ho podria trigar 10 o 15 anys, afegeix.

Les dues cares d'Einstein

Els forats de cuc van entrar al lèxic de la física el 1935 com una de les prediccions més estranyes de la teoria general de la relativitat d'Albert Einstein, que descriu com la matèria i l'energia deformen l'espai per crear el que anomenem gravetat. Aquell any, Einstein i el seu col·lega, Nathan Rosen, van demostrar sobre el paper que podrien existir dreceres a través de l'espai-temps, connectant forats negres. Més tard, el físic John Wheeler va anomenar aquests túnels "forats de cuc".

Originalment, semblava que els forats de cuc eren inútils; la teoria sostenia que es tancarien de cop en el moment en què els entrés qualsevol cosa. No s'han observat mai fora de la ciència-ficció.

Un mes abans d'aquell mateix any, el 1935, Einstein, Rosen i Boris Podolsky havien assenyalat que les regles quàntiques permetien el que ara es coneix com a entrellaçament quàntic, tot i que llavors Einstein ho va veure com una predicció absurda. Fins fa uns anys, de fet, no es creia que aquests trucs quàntics tinguessin res a veure amb la gravetat. I a causa d'això els físics es van quedar sense teoria de la "gravetat quàntica" per explicar què passava quan els regnes de l'espai interior i l'espai exterior xocaven, com en el Big Bang o dins dels forats negres.

Però l'any 2013 Juan Maldacena, físic teòric de l'Institut d'Estudis Avançats de Princeton, i el doctor Susskind van proposar que aquests dos fenòmens –entrellaçament quàntic i forats de cuc– eren en realitat dues cares de la mateixa moneda, cadascuna descrita en llenguatge matemàtic diferent però complementari.

Aquelles partícules, segons aquesta lògica, estaven connectades per misteriosos forats de cuc. Es podria fer servir la mecànica quàntica per estudiar la gravetat, i viceversa. Les equacions que descriuen els fenòmens quàntics va resultar que tenien equivalents entre les equacions d'Einstein per a la gravetat. "És sobretot una qüestió de gust, quina descripció utilitzeu, perquè donen exactament la mateixa resposta –diu Jafferis–. I va ser un descobriment increïble".

Escotilles d'escapament

El recent experiment del forat de cuc ha intentat utilitzar les matemàtiques de la relativitat general per examinar un aspecte de la màgia quàntica conegut com a teletransportació quàntica, per veure si es podria revelar algun aspecte nou de la física o la gravetat.

En la teletransportació quàntica, els físics fan servir un conjunt de manipulacions quàntiques per enviar informació entre dues partícules (a centímetres o quilòmetres de distància) que s'entrellacen entre si. S'espera que aquesta tecnologia sigui el cor d'una "internet quàntica" de nova generació i impossible de piratejar. Als físics els agrada comparar el procés de teletransportació amb dues tasses de te. Es deixa caure un terròs de sucre en una tassa i es dissol ràpidament, i després d'un tic del rellotge quàntic, el cub reapareix intacte a l'altra tassa de te.

L'experiment es va fer concebible després d'un parell d'articles de Susskind i, de manera independent, de Jafferis, Ping Gao del MIT i Aron Wall, un físic teòric de la Universitat de Cambridge. Van suggerir una manera que els forats de cuc es poguessin fer transitables. El que calia, van dir el doctor Gao i els seus col·laboradors, era una petita dosi d'energia negativa a l'extrem de sortida del forat de cuc per obrir l'escotilla prou temps perquè la informació s'escapés.

En la física clàssica no hi ha energia negativa. Però en teoria quàntica, l'energia pot ser negativa i generar un efecte antigravitatori. Per exemple, les anomenades partícules virtuals, que entren i surten de l'existència utilitzant energia manllevada de l'espai buit, poden caure en un forat negre, i portar un deute a la natura en forma d'energia que després el forat negre ha de pagar. Aquesta filtració lenta, va calcular Stephen Hawking el 1974, fa que el forat negre perdi energia i es redueixi.

Quan Spiropulu va proposar intentar recrear aquesta màgia del forat de cuc en un ordinador quàntic, els seus col·legues i patrocinadors del departament d'Energia no ho van veure clar: "Van pensar que estava completament boja –recorda–. Però Jafferis va dir: «Fem-ho»".

Aprofitar la incertesa

En els ordinadors normals, incloent-hi els mòbils, la moneda de càlcul són els bits, que poden ser uns o zeros. Els ordinadors quàntics funcionen amb qbits, que poden ser 0 o 1 o qualsevol punt intermedi fins que es mesuren o s'observen. Això fa que els ordinadors quàntics siguin molt potents per a determinats tipus de tasques, com ara factoritzar grans nombres i (potser algun dia) trencar codis criptogràfics. En essència, un ordinador quàntic executa totes les variacions possibles del programa simultàniament per arribar a una solució. "Fem de la incertesa un aliat, i l'abracem", diu Spiropulu.

Per assolir tot el seu potencial, els ordinadors quàntics necessitaran milers de qbits de treball i un milió més de qbits de "correcció d'errors". Google espera assolir aquest objectiu a finals de la dècada, segons Hartmut Neven, cap del laboratori d'Intel·ligència Artificial Quàntica de la companyia a Venice (Califòrnia), que també forma part de l'equip de Spiropulu.

El físic de Caltech i premi Nobel Richard Feynman va predir una vegada que l'ús final d'aquest poder quàntic podria ser investigar la mateixa física quàntica, com en l'experiment del forat de cuc. "Estic emocionat de veure que els investigadors poden viure el somni de Feynman", celebra Neven.

© Copyright The New York Times