Un equipo de científicos ha descubierto que una ley que controla el extraño comportamiento de los agujeros negros en el espacio también es válida para los átomos de helio fríos que pueden estudiarse en laboratorios.

"Se llama ley del área de entrelazamiento, "dice Adrian Del Maestro, un físico de la Universidad de Vermont que codirigió la investigación. Que esta ley aparece tanto en la vasta escala del espacio exterior como en la pequeña escala de átomos, "es raro, "Del Maestro dice, "y apunta a una comprensión más profunda de la realidad".

El nuevo estudio aparece en la edición del 13 de marzo de la revista Física de la naturaleza —Y puede ser un paso hacia una teoría cuántica de la gravedad tan buscada y nuevos avances en la computación cuántica.

En la superficie

En los 1970s, Los afamados físicos Stephen Hawking y Jacob Bekenstein descubrieron algo extraño acerca de los agujeros negros. Calcularon que cuando la materia cae en uno de estos agujeros sin fondo en el espacio, la cantidad de información que engulle, lo que los científicos llaman su entropía, aumenta solo tan rápido como aumenta su área de superficie, no su volumen. Esto sería como medir cuántos archivos hay en un archivador en función del área de la superficie del cajón en lugar de la profundidad del cajón. Como ocurre con muchos aspectos de la física moderna, compruebe su sentido común en la puerta.

"Hemos descubierto que se obedece el mismo tipo de ley para la información cuántica en el helio superfluido, "dice Del Maestro. Para hacer su descubrimiento, Del Maestro de UVM y tres colegas de la Universidad de Waterloo en Canadá crearon por primera vez una simulación exacta de la física del helio extremadamente frío después de que se transforma de gas a una forma de materia llamada superfluido:por debajo de unos dos grados Kelvin, Los átomos de helio, que exhiben la naturaleza de onda / partícula dual que Max Planck y otros descubrieron, se agrupan de manera que los átomos individuales no pueden describirse de forma independiente entre sí. En lugar de, forman una danza cooperativa que los científicos llaman entrelazado cuántico.

Usando dos supercomputadoras, incluido el Vermont Advanced Computing Core en UVM, los científicos exploraron las interacciones de sesenta y cuatro átomos de helio en un superfluido. Descubrieron que la cantidad de información cuántica entrelazada compartida entre dos regiones de un contenedor (una esfera de helio separada del contenedor más grande) estaba determinada por el área de la superficie de la esfera y no por su volumen. Como un hológrafo parece que un volumen de espacio tridimensional está completamente codificado en su superficie bidimensional. Como un agujero negro.

Esta idea se había adivinado a partir de un principio de la física llamado "localidad", pero nunca antes se había observado en un experimento. Mediante el uso de una simulación numérica completa de todos los atributos del helio, los científicos fueron, por primera vez, capaz de demostrar la existencia de la ley del área de entrelazamiento en un líquido cuántico real.

"El helio superfluido podría convertirse en un recurso importante, el combustible, para una nueva generación de computadoras cuánticas, "dice Del Maestro, cuyo trabajo es apoyado por la National Science Foundation. Pero para hacer uso de su enorme potencial de procesamiento de información, él dice, "Tenemos que entender más profundamente cómo funciona".

Barrios espeluznantes

En la década de 1920, Albert Einstein, célebre y escéptico, se refirió al entrelazamiento como "acción espeluznante a distancia". Desde ese tiempo, El entrelazamiento ha sido demostrado como real por numerosos experimentos teóricos y de laboratorio. En lugar de desafiar el límite de velocidad máxima del universo, la velocidad de la luz, lo que el entrelazamiento parece mostrar cada vez más es que nuestra comprensión humana a macroescala de la distancia, y el tiempo mismo, puede ser ilusorio. Un par de partículas entrelazadas pueden tener una comunicación cuántica, pareciendo "conocer" el estado de los demás instantáneamente a través de millas. Pero esta intuición mezcla nuestra visión clásica de la realidad con una realidad cuántica más profunda en la que una forma de información, la entropía entrelazada, se "deslocaliza, "distribuidos en un sistema, con millones de estados posibles, o "superposiciones, "que sólo se fijan mediante la acción de medir (considere el gato de Schrödinger, tanto vivo como muerto).

"El entrelazamiento es información no clásica compartida entre partes de un estado cuántico, ", señala Del Maestro. Es" el rasgo característico de la mecánica cuántica que es más ajeno a nuestra realidad clásica ".

Ser capaz de entender mucho menos controlar, El entrelazamiento cuántico en sistemas complejos con muchas partículas ha resultado difícil. La observación de una ley del área de entrelazamiento en este nuevo experimento apunta hacia los líquidos cuánticos, como helio superfluido, como un posible medio para comenzar a dominar el enredo. Por ejemplo, el nuevo estudio revela que la densidad del helio superfluido regula la cantidad de entrelazamiento. Eso sugiere que los experimentos de laboratorio y, finalmente, Las computadoras cuánticas podrían manipular la densidad de un líquido cuántico como una "perilla posible, "Del Maestro dice, para regular el enredo.

Caza de gravedad

Y esta nueva investigación tiene implicaciones para algunos problemas fundamentales de la física. Hasta aquí, el estudio de la gravedad ha desafiado en gran medida los esfuerzos por ponerla bajo el paraguas de la mecánica cuántica, pero los teóricos continúan buscando conexiones. "Nuestra teoría clásica de la gravedad se basa en conocer exactamente la forma o geometría del espacio-tiempo, "Del Maestro dice, pero la mecánica cuántica requiere incertidumbre sobre esta forma. Un pedazo del puente entre estos puede estar formado por la contribución de este nuevo estudio al "principio holográfico":la exótica afirmación de que todo el universo 3-D podría entenderse como información bidimensional, ya sea un gigantesco agujero negro o un charco microscópico de helio superfluido.