Los físicos han utilizado una computadora cuántica de siete qubits para simular la codificación de información dentro de un agujero negro, presagiando un futuro en el que los bits cuánticos entrelazados podrían usarse para sondear los misteriosos interiores de estos extraños objetos.

La codificación es lo que sucede cuando la materia desaparece dentro de un agujero negro. La información adjunta a ese asunto:las identidades de todos sus componentes, hasta la energía y el impulso de sus partículas más elementales, se mezcla caóticamente con toda la otra materia e información que contiene, aparentemente haciendo imposible su recuperación.

Esto conduce a la llamada "paradoja de la información de los agujeros negros, "dado que la mecánica cuántica dice que la información nunca se pierde, incluso cuando esa información desaparece dentro de un agujero negro.

Entonces, mientras que algunos físicos afirman que la información que cae a través del horizonte de sucesos de un agujero negro se pierde para siempre, otros argumentan que esta información se puede reconstruir, pero sólo después de esperar una cantidad excesiva de tiempo, hasta que el agujero negro se haya reducido a casi la mitad de su tamaño original. Los agujeros negros se encogen porque emiten radiación de Hawking, que es causada por fluctuaciones de la mecánica cuántica en el borde mismo del agujero negro y lleva el nombre del fallecido físico Stephen Hawking.

Desafortunadamente, un agujero negro la masa de nuestro sol tomaría alrededor de 10 ⁶⁷ años para evaporarse, lejos, mucho más largo que la edad del universo.

Sin embargo, hay una laguna jurídica, o más bien, un agujero de gusano, fuera de este agujero negro. Puede ser posible recuperar esta información descendente significativamente más rápido midiendo entrelazamientos sutiles entre el agujero negro y la radiación de Hawking que emite.

Dos bits de información, como los bits cuánticos, o qubits, en una computadora cuántica, se entrelazan cuando están tan estrechamente vinculados que el estado cuántico de uno determina automáticamente el estado del otro, no importa lo lejos que estén. Los físicos a veces se refieren a esto como "acción espeluznante a distancia, "y las mediciones de qubits entrelazados pueden llevar a la" teletransportación "de información cuántica de un qubit a otro.

"Se puede recuperar la información arrojada al agujero negro haciendo un cálculo cuántico masivo en estos fotones Hawking salientes," "dijo Norman Yao, profesor asistente de física de UC Berkeley. "Se espera que esto sea realmente, realmente difícil, pero si hay que creer en la mecánica cuántica, debería, en principio, ser posible. Eso es exactamente lo que estamos haciendo aquí, pero para un diminuto 'agujero negro' de tres qubits dentro de una computadora cuántica de siete qubits ".

Al dejar caer un qubit enredado en un agujero negro y consultar la radiación emergente de Hawking, teóricamente podrías determinar el estado de un qubit dentro del agujero negro, proporcionando una ventana al abismo.

Yao y sus colegas de la Universidad de Maryland y el Instituto Perimetral de Física Teórica en Waterloo, Ontario, Canadá, informará sus resultados en un artículo que aparecerá en la edición del 6 de marzo de la revista Naturaleza .

Teletransportación

Yao, que está interesado en comprender la naturaleza del caos cuántico, aprendido de un amigo y colega Beni Yoshida, un teórico del Perimeter Institute, que recuperar la información cuántica que cae en un agujero negro es posible si la información se codifica rápidamente dentro del agujero negro. Cuanto más a fondo se mezcle en todo el agujero negro, cuanto más fiable se pueda recuperar la información a través de la teletransportación. Basado en esta información, Yoshida y Yao propusieron el año pasado un experimento para demostrar la codificación en una computadora cuántica.

"Con nuestro protocolo, si mide una fidelidad de teletransportación que es lo suficientemente alta, entonces puede garantizar que la codificación ocurrió dentro del circuito cuántico, "Yao dijo". luego llamamos a mi amigo, Chris Monroe ".

Monroe, un físico de la Universidad de Maryland en College Park que dirige uno de los principales grupos de información cuántica de iones atrapados del mundo, decidió darle una oportunidad. Su grupo implementó el protocolo propuesto por Yoshida y Yao y midió efectivamente una función de correlación ordenada fuera de tiempo.

Denominadas OTOC, estas funciones de correlación peculiares se crean comparando dos estados cuánticos que difieren en el momento en que se aplican ciertas patadas o perturbaciones. La clave es poder evolucionar un estado cuántico tanto hacia adelante como hacia atrás en el tiempo para comprender el efecto de esa segunda patada en la primera patada.

El grupo de Monroe creó un circuito cuántico de codificación en tres qubits dentro de una computadora cuántica de iones atrapados de siete qubit y caracterizó la desintegración resultante del OTOC. Si bien la desintegración de la OTOC se suele tomar como una fuerte indicación de que se ha producido una alteración, para demostrar que tenían que demostrar que la OTOC no se descomponía simplemente debido a la decoherencia, es decir, que no solo estaba mal protegido del ruido del mundo exterior, lo que también hace que los estados cuánticos se desmoronen.

Yao y Yoshida demostraron que cuanto mayor era la precisión con la que podían recuperar la información enredada o teletransportada, cuanto más estrictamente pudieran poner un límite más bajo a la cantidad de codificación que se había producido en la OTOC.

Monroe y sus colegas midieron una fidelidad de teletransportación de aproximadamente el 80 por ciento, lo que significa que quizás la mitad del estado cuántico se mezcló y la otra mitad se descompuso por decoherencia. Sin embargo, esto fue suficiente para demostrar que realmente se había producido una codificación genuina en este circuito cuántico de tres qubits.

"Una posible aplicación de nuestro protocolo está relacionada con la evaluación comparativa de las computadoras cuánticas, donde se podría utilizar esta técnica para diagnosticar formas más complicadas de ruido y decoherencia en procesadores cuánticos, "Dijo Yao.

Yao también está trabajando con un grupo de UC Berkeley dirigido por Irfan Siddiqi para demostrar la codificación en un sistema cuántico diferente, qutrits superconductores:bits cuánticos que tienen tres, en lugar de dos, estados. Siddiqi, un profesor de física de UC Berkeley, también lidera el esfuerzo del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley para construir un banco de pruebas de computación cuántica avanzada.

"En su centro, este es un experimento de qubit o qutrit, pero el hecho de que podamos relacionarlo con la cosmología es porque creemos que la dinámica de la información cuántica es la misma, ", dijo." Estados Unidos está lanzando una iniciativa cuántica de mil millones de dólares, y comprender la dinámica de la información cuántica conecta muchas áreas de investigación dentro de esta iniciativa:circuitos cuánticos y computación, física de altas energías, dinámica del agujero negro, física de la materia condensada y atómica, física molecular y óptica. El lenguaje de la información cuántica se ha vuelto omnipresente para nuestra comprensión de todos estos diferentes sistemas ".

Aparte de Yao, Yoshida y Monroe, otros coautores son el estudiante graduado de UC Berkeley T. Schuster y K. A. Landsman, C. Figgatt y N. M. Linke del Joint Quantum Institute de Maryland. El trabajo fue apoyado por el Departamento de Energía y la Fundación Nacional de Ciencias.