Le presentamos un curioso experimento mental. Imagine una nube de partículas cuánticas entrelazadas; en otras palabras, partículas que comparten la misma existencia cuántica. El comportamiento de estas partículas es caótico. El objetivo de este experimento consiste en enviar un mensaje cuántico a través de este conjunto de partículas. Así que el mensaje se debe enviar por un lado de la nube y extraerlo por el otro.

El primer paso, entonces, sería dividir la nube por la mitad para poder controlar por separado las partículas de la izquierda de las de la derecha. El siguiente paso consistiría en introducir el mensaje por la parte izquierda de la nube, donde el comportamiento caótico de las partículas lo codifica rápidamente.

La pregunta es, ¿sería posible decodificar ese mensaje? La respuesta nos llega gracias al trabajo del investigador de Google en California (EE. UU.) Adam Brown y de varios colegas suyos, incluido el profesor de la Universidad de Stanford (EE. UU.) Leonard Susskind, el "padre de la teoría de cuerdas". Este equipo muestra exactamente cómo un mensaje así reaparecería de forma sorprendente.

"Lo sorprendente es lo que ocurre después. La señal se redefine inesperadamente, sin mostrar claramente qué fue lo que actuó como objetivo", asegura su investigación. Después de un período en el que el mensaje parece estar completamente codificado, se descifra de forma abrupta y se recupera en un punto muy alejado de donde se introdujo originalmente.

Pero lo realmente extraordinario de su afirmación es que este experimento arroja luz sobre uno de los misterios más profundos del universo: el carácter cuántico de la gravedad y el espacio-tiempo.

Primero, un poco de contexto. La clave para comprender este experimento mental radica en la naturaleza de los fenómenos emergentes. Brown y sus colegas destacan que los sistemas cuánticos pueden mostrar fenómenos emergentes de la misma manera que los sistemas ordinarios. Por ejemplo, cuando dos personas dialogan, intercambiando información mediante las ondas de sonido, dan lugar a un fenómeno difícil de entender desde el punto de vista de la dinámica molecular. La sala en la que hablan podría contener 10²⁷ moléculas, cada una colisionando con otra cada 10⁻¹⁰ segundos más o menos, de una manera increíblemente caótica.

Una simulación informática del dicho sistema tendría que procesar 10³⁷ bits de información cada segundo. Aunque esto resulta imposible a nivel práctico, la conversación continúa de todos modos. "La comunicación es posible a pesar del caos porque el sistema posee modos colectivos emergentes, ondas de sonido, que se comportan de manera ordenada", afirma Brown.

A nivel cuántico opera exactamente el mismo fenómeno emergente. Y es este el que redefine el mensaje cuántico del ejemplo anterior. El fenómeno emergente en cuestión es mucho más significativo y potente que las meras ondas de sonido. "Cuando los efectos cuánticos son importantes, los patrones complejos de entrelazamiento pueden dar lugar a tipos cualitativamente nuevos de fenómenos colectivos emergentes. Un ejemplo extremo de estos tipos emergentes es, precisamente, la generación holográfica del espacio-tiempo y la gravedad del entrelazamiento, de la complejidad y del caos. En otras palabras, un fenómeno cuántico emergente forma la base de la realidad", explica Brown.

Es por eso que este experimento mental genera tanto interés. Permite a los físicos pensar en un ejemplo simple de un fenómeno cuántico emergente que podrían crear y probar en el laboratorio. Ese experimento haría que la base de la realidad se convierta en un simple juguete para los físicos.

Entonces, ¿cómo se podría abordar un experimento así? Brown y sus compañeros creen que hay varias formas de tratarlo. El primer paso consiste en crear un conjunto de estados cuánticos entrelazados que luego se podría dividir en dos para poder ser manejados por separado. Una forma de hacerlo consiste en crear una gran cantidad de pares entrelazados conocidos como pares de Bell. Brown y sus compañeros afirman que estos pares ya se han creado con átomos de rubidio y con iones atrapados.

El siguiente paso sería introducir la información cuántica en una mitad de estos estados cuánticos, algo que también se ha logrado, aunque en una escala menor que la necesaria para el experimento de Brown y su equipo.

El paso final requeriría controlar la evolución cuántica de la otra mitad de los estados cuánticos para que el mensaje vuelva a aparecer. Esta es la parte más complicada, pero los físicos ya saben cómo manipular los estados cuánticos mediante pulsos electromagnéticos, aunque en circunstancias mucho más simples.

La conclusión es que este tipo de experimento va más allá del estado del arte cuántico actual. Pero podría volverse factible en los próximos años, dada la velocidad a la que los físicos están desarrollando sus habilidades cuánticas. Si se consigue llevar a cabo un experimento de este tipo, se abrirían varias posibilidades fascinantes. La capacidad de jugar con una forma emergente de espacio-tiempo permitiría probar por primera vez las diferentes ideas sobre la gravedad cuántica.

De hecho, uno de los avances más importantes de este trabajo consiste en mostrar un vínculo matemático formal entre la transmisión de información a través de un sistema cuántico de muchos cuerpos y el teletransporte a través de un agujero de gusano en el espacio-tiempo. La investigación añade: "Esto sugiere que podríamos ser capaces de usar experimentos físicos de simulación para explorar indirectamente la gravedad cuántica".

Se trata de un trabajo interesante con importantes implicaciones. Brown y sus compañeros están claramente entusiasmados. Brown concluye: "La tecnología para controlar sistemas cuánticos complejos de muchos cuerpos está avanzando rápidamente, y parece que estamos al inicio de una nueva era en la física: el estudio de la gravedad cuántica en el laboratorio".

Ref: arxiv.org/abs/1911.06314: Quantum Gravity in the Lab: Teleportation by Size and Traversable Wormholes