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Físicos ven que sucede en las profundidades de un Agujero Negro


Un equipo de físicos del Instituto Joint Quantum, la Universidad de Maryland, la Universidad de California en Berkeley y el Instituto Perimétrico de Física Teórica ha implementado una prueba para la codificación cuántica, una mezcla caótica de la información almacenada entre una colección de partículas cuánticas.

El experimento del equipo, llevado a cabo en un grupo de siete iones, demostró una nueva forma de distinguir entre la codificación y la pérdida de información real.

¿Que sucede dentro de un agujero negro?
El deterioro y descomposición de la materia es lo que sucede cuando la materia cae y desaparece dentro de un agujero negro.

La codificación cuántica es una sugerencia de cómo la información puede caer en un agujero negro y salir como una radiación de apariencia aleatoria. Quizás, según el argumento, no es aleatorio en absoluto, y los agujeros negros son simplemente excelentes codificadores. El desafío a resolver es cuánto de esta materia es codificada y cuánto de esta materia se pierde.

La información adjunta a esa materia, la identidad de todos sus constituyentes, hasta la energía y el impulso de sus partículas más elementales, se mezcla caóticamente con toda la otra materia e información que contiene, aparentemente imposibilitando su recuperación.

Esto lleva a la llamada "paradoja de la información del agujero negro", ya que la mecánica cuántica dice que la información nunca se pierde, incluso cuando esa información desaparece dentro de un agujero negro. Por lo tanto, la materia simplemente es codificada a nivel cuántico.

Entonces, mientras algunos físicos teóricos afirman que la información que cae a través del horizonte de eventos de un agujero negro se pierde para siempre, otros argumentan que esta información se puede "reconstruir" dentro del agujero negro, pero solo después de esperar una cantidad excesiva de tiempo, hasta que el agujero negro se ha reducido a casi la mitad de su tamaño original.

Los agujeros negros se encogen porque emiten radiación de Hawking, que es causada por fluctuaciones cuánticas en el borde del agujero negro. Desafortunadamente, un agujero negro de masa Solar tardaría unos 10 ^67 años en evaporarse, mucho más que la edad del Universo.

Sin embargo, puede ser posible recuperar esta información codificada significativamente más rápido al medir enredos sutiles entre el agujero negro y la radiación de Hawking que emite.

Entrelazamiento Cuántico
Dos bits de información, como los bits cuánticos, o cubits, en una computadora cuántica, se enredan cuando están tan estrechamente vinculados que el estado cuántico de uno determina automáticamente el estado del otro, sin importar qué tan alejados estén.

Los físicos a veces se refieren a esto como Acción Espeluznante a Distancia, y las mediciones de los cubits enredados pueden llevar a la teleportación de información cuántica de un cubit a otro.

El experimento
"Uno puede recuperar la información colocada en el agujero negro haciendo un cálculo cuántico masivo en estos fotones salientes. Se espera que esto sea realmente, realmente difícil, pero si queremos creer en la mecánica cuántica, debería, en principio, ser posible. Eso es exactamente lo que estamos haciendo aquí, pero con un pequeño agujero negro de tres cubits dentro de una computadora cuántica de siete cubits", dijo el miembro del equipo, el Dr. Norman Yao, físico de la Universidad de California en Berkeley.

"Al colocar un cúbit enredado en un agujero negro y consultar con la radiación de Hawking emergente, teóricamente se podría determinar el estado de un cúbit dentro del agujero negro, proporcionando una ventana al mismísimo abismo negro".

En sus experimentos, los investigadores midieron efectivamente las funciones de correlación ordenadas fuera de tiempo (FCOFT), que se crean al comparar dos estados cuánticos que difieren en el momento en que se aplican ciertas perturbaciones. Para un FCOFT, la clave es poder evolucionar un estado cuántico, hacia adelante y hacia atrás en el tiempo, para comprender el efecto de esa segunda perturbación en la primera perturbación.

El equipo creó un circuito cuántico codificado en tres cubits dentro de una computadora cuántica de siete cubits con iones atrapados y caracterizaron el deterioro resultante del FCOFT.

Mientras que la deterioración del FCOFT se toma típicamente como un fuerte indicio de que se ha producido una codificación cuántica, pero para probarlo, el equipo tenían que demostrar que el FCOFT no solo se deterioraba debido a la decoherencia, es decir, que no solo estaba mal protegido por las perturbaciones del mundo exterior, que también hace que los estados cuánticos se desmoronen.

Resultados
Los científicos demostraron que: cuanto mayor sea la precisión con la que podrían recuperar la información enredada o teletransportada, más rigurosamente podían poner un límite inferior a la cantidad de codificación cuántica que se había producido en el FCOFT.

Midieron una fidelidad en la teletransportación de aproximadamente el 80%, lo que significa que tal vez la mitad del estado cuántico se codificó y la otra mitad se deterioró por decoherencia. Sin embargo, esto fue suficiente para demostrar que realmente se había producido una codificación en este circuito cuántico de tres cubits.

"Con la codificación, la información de una partícula se mezcla o se difunde en todo el sistema. Parece perdida, pero en realidad aún está oculta en las correlaciones entre las diferentes partículas", dijo Kevin Landsman, un estudiante graduado en el Instituto Joint Quantum.

"Independientemente de si los agujeros negros reales son muy buenos codificadores, el estudio de la codificación cuántica de la materia en el laboratorio podría proporcionar información útil para el desarrollo futuro de la computación cuántica o la simulación cuántica", dijo el Dr. Chris Monroe, físico de la Universidad de Maryland.

Crédito de la imagen: E. Edwards / Joint Quantum Institute.

Referencia del documento científico:
K.A. Landsman et al. De codificación de información cuántica verificada. Nature, volumen 567, páginas 61–65 (2019); DOI: 10.1038 / s41586-019-0952-6

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