Un modo de explorar la relación del espacio-tiempo curvado con la mecánica cuántica

Unos científicos han ideado un modo de aprovechar las nacientes redes cuánticas para averiguar qué relación tiene el espacio-tiempo curvado con los fenómenos cuánticos.

Las redes cuánticas se están desarrollando rápidamente en muchas partes del mundo. Se trata de una tecnología cuántica decisiva que permitirá establecer una internet cuántica global, con la capacidad de implementar comunicaciones seguras a gran escala y conectar computadoras cuánticas a nivel mundial. La carrera para lograrlo está en pleno auge, tanto en la Tierra como en el espacio.

Ahora, una nueva investigación sugiere que las redes cuánticas son más versátiles de lo que se creía y que con esta tecnología se podrá explorar cómo la curvatura del espacio-tiempo afecta a la mecánica cuántica.

El estudio lo han realizado Jacob P. Covey, de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, Estados Unidos; Igor Pikovski, del Instituto Stevens de Tecnología en Estados Unidos y de la Universidad de Estocolmo en Suecia; y Johannes Borregaard, de la Universidad Harvard en Estados Unidos.

Se han hecho avances importantes en el conocimiento de la física cuántica, pero todavía hay muchos misterios pendientes de resolver. Una de estas cosas que todavía se desconocen es su comportamiento cuando entra en juego la teoría de la gravedad de Einstein (relatividad general). En la teoría de Einstein, la gravedad ya no es una fuerza, sino el resultado de la evolución del espacio y el tiempo (un espacio-tiempo curvado). Esto produce efectos singulares, como la ralentización del tiempo cerca de planetas y otros astros. El fenómeno se ha medido y confirmado con gran precisión, y se ha popularizado en novelas y películas de ciencia-ficción. Pero ¿cómo afecta este flujo cambiante del tiempo a la mecánica cuántica? ¿Podrían la teoría de la mecánica cuántica, la de la relatividad general o ambas requerir modificaciones en los enunciados referentes a sus interacciones? Si bien aún no se dispone de una teoría completa de la gravedad cuántica, existen sugerencias de que los principios cuánticos podrían cambiar en presencia de un espacio-tiempo curvado. Sin embargo, explorar esta frontera ha sido hasta ahora imposible mediante experimentos.

En un estudio previo, Pikovski y Borregaard mostraron que ya es factible realizar experimentos para explorar estas cuestiones, gracias a las redes cuánticas. Demostraron cómo dos características únicas, pero distintivas, de la mecánica cuántica y la gravedad se combinan simultáneamente. En la mecánica cuántica, existen superposiciones: bajo determinadas condiciones, la materia puede existir no solo en estados específicos definidos, sino también en mezclas de ellos simultáneamente. La computación cuántica aprovecha este hecho para construir bits cuánticos (superposiciones de bits de 0 y 1). Y las redes cuánticas pueden propagar estos bits cuánticos a grandes distancias. Sin embargo, en las proximidades de la Tierra, estos bits cuánticos también deberían ser sensibles a la curvatura del espacio-tiempo, ya que el propio flujo del tiempo cambia. Los investigadores demostraron que las superposiciones de relojes atómicos en redes cuánticas permitirían captar diferentes flujos temporales, lo que abre una vía para estudiar cómo interactúan la mecánica cuántica y la curvatura del espacio-tiempo.

Recreación artística de una red cuántica de relojes entrelazados cuánticamente que puede determinar cómo los fenómenos cuánticos se comportan en presencia del espacio-tiempo curvado. (Imagen: Igor Pikovski)

Pikovski y Borregaard, en colaboración con Covey, han desarrollado ahora un protocolo concreto. El equipo ha demostrado cómo los efectos cuánticos pueden distribuirse entre los nodos de la red mediante los llamados estados W entrelazados, y cómo se registra la interferencia entre estos sistemas entrelazados. Valiéndose de fenómenos cuánticos como la teleportación cuántica (transferir el estado cuántico de una partícula a otra) y los pares de Bell entrelazados (estados máximamente entrelazados de dos bits cuánticos) en matrices de átomos, es posible comprobar hasta qué punto y en qué aspectos el espacio-tiempo curvado influye en fenómenos cuánticos.

Quizás la gravedad cambia el modo en que funciona la mecánica cuántica. De hecho, algunas teorías sugieren tales modificaciones. Ahora, con la tecnología cuántica disponible y el nuevo protocolo, será posible aclararlo.

El nuevo estudio se titula “Probing Curved Spacetime with a Distributed Atomic Processor Clock”. Y se ha publicado en la revista académica Physical Review. (Fuente: NCYT de Amazings)