Los agujeros negros son monstruos gravitacionales, que exprimen gas y polvo hasta un punto microscópico como grandes compactadores de basura cósmicos. La física moderna dicta que, después de ser consumida, la información sobre este asunto debería perderse para siempre en el universo. Pero un nuevo experimento sugiere que podría haber una forma de utilizar la mecánica cuántica para obtener una idea del interior de un agujero negro.
"En física cuántica, la información no puede perderse", dijo a Live Science Kevin Landsman, un estudiante graduado de física en el Joint Quantum Institute (JQI) de la Universidad de Maryland en College Park. "En cambio, la información puede ocultarse o codificarse" entre partículas subatómicas e inextricablemente unidas.
Landsman y sus coautores demostraron que podían medir cuándo y con qué rapidez se codificaba la información dentro de un modelo simplificado de un agujero negro, proporcionando un vistazo potencial a las entidades que de otro modo serían impenetrables. Los hallazgos, que aparecen hoy (6 de marzo) en la revista Nature, también podrían ayudar en el desarrollo de computadoras cuánticas.
Los agujeros negros son objetos infinitamente densos e infinitamente pequeños formados por el colapso de una estrella gigante y muerta que se convirtió en supernova. Debido a su atracción gravitacional masiva, absorben el material circundante, que desaparece detrás de lo que se conoce como su horizonte de eventos: el punto pasado del que nada, incluida la luz, puede escapar.
En la década de 1970, el famoso físico teórico Stephen Hawking demostró que los agujeros negros pueden reducirse a lo largo de su vida. De acuerdo con las leyes de la mecánica cuántica, las reglas que dictan el comportamiento de las partículas subatómicas a escalas pequeñas, los pares de partículas aparecen espontáneamente justo fuera del horizonte de eventos de un agujero negro. Una de estas partículas cae en el agujero negro mientras que la otra es impulsada hacia afuera, robando un pequeño pito de energía en el proceso. En escalas de tiempo extremadamente largas, se roba suficiente energía para que el agujero negro se evapore, un proceso conocido como radiación de Hawking, como ya informó Live Science.
Pero hay un enigma escondido en el corazón infinitamente denso del agujero negro. La mecánica cuántica dice que la información sobre una partícula (su masa, momento, temperatura, etc.) nunca se puede destruir. Las reglas de la relatividad afirman simultáneamente que una partícula que se ha ampliado más allá del horizonte de eventos de un agujero negro se ha unido al aplastamiento infinitamente denso en el centro del agujero negro, lo que significa que no se puede recuperar ninguna información al respecto. Los intentos de resolver estos requisitos físicos incompatibles no han tenido éxito hasta la fecha; Los teóricos que han trabajado en el problema llaman al dilema la paradoja de la información del agujero negro.
En su nuevo experimento, Landsman y sus colegas mostraron cómo obtener algo de alivio para este problema utilizando la partícula que vuela hacia afuera en un par de radiación Hawking. Debido a que está enredado con su compañero infalible, lo que significa que su estado está inextricablemente vinculado al de su compañero, medir las propiedades de uno puede proporcionar detalles importantes sobre el otro.
"Uno puede recuperar la información que cae en el agujero negro haciendo un cálculo cuántico masivo en estos salientes", dijo Norman Yao, físico de la Universidad de California, Berkeley, y miembro del equipo, en un comunicado.
Las partículas dentro de un agujero negro han tenido toda su información mecánicamente "revuelta". Es decir, su información se ha mezclado caóticamente de una manera que debería hacer que sea imposible extraerla. Pero una partícula enredada que se enreda en este sistema podría pasar información a su compañero.
Hacer esto para un agujero negro del mundo real es irremediablemente complicado (y además, los agujeros negros son difíciles de encontrar en los laboratorios de física). Entonces, el grupo creó una computadora cuántica que realizó cálculos utilizando bits cuánticos entrelazados, o qubits, la unidad básica de información utilizada en la computación cuántica. Luego establecieron un modelo simple utilizando tres núcleos atómicos del elemento iterbio, que estaban enredados entre sí.
Usando otro qubit externo, los físicos pudieron saber cuándo las partículas en el sistema de tres partículas se revolvieron y pudieron medir qué tan revueltas se volvieron. Más importante aún, sus cálculos mostraron que las partículas se mezclaron específicamente entre sí en lugar de con otras partículas en el medio ambiente, dijo a Live Science Raphael Bousso, un físico teórico de UC Berkeley que no participó en el trabajo.
"Es un logro maravilloso", agregó. "Resulta que distinguir cuál de estas cosas le está sucediendo realmente a su sistema cuántico es un problema muy difícil".
Los resultados muestran cómo los estudios de los agujeros negros están conduciendo a experimentos que pueden explorar pequeñas sutilezas en la mecánica cuántica, dijo Bousso, que podrían ser útiles en el desarrollo de futuros mecanismos de computación cuántica.
