MADRID, 15 Jul. (EUROPA PRESS) -
Un nuevo resultado de investigación, desarrollado en colaboración entre el Instituto Tecnológico Stevens, la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign y la Universidad de Harvard (todas en Estados Unidos), sugiere que las redes cuánticas son más versátiles de lo que se creía. En el artículo titulado 'Probing Curved Spacetime with a Distributed Atomic Processor Cloc' , recién publicado en la revista 'PRX Quantum' , los investigadores demuestran que esta tecnología puede investigar cómo la curvatura del espacio-tiempo afecta a la teoría cuántica, una primera prueba de este tipo.
Las redes cuánticas se están desarrollando rápidamente a nivel mundial. Se trata de una tecnología cuántica clave que permitirá una internet cuántica global: la capacidad de implementar comunicaciones seguras a gran escala y conectar computadoras cuánticas a nivel mundial. La carrera para hacer realidad esta visión está en pleno auge, tanto en la Tierra como en el espacio.
Hasta ahora, la física cuántica ha superado todas las pruebas con gran éxito. Pero no está tan claro cómo se comporta cuando entra en juego la teoría de la gravedad de Einstein (la relatividad general).
En la teoría de Einstein, la gravedad ya no es una fuerza, sino el resultado de cambios en el espacio y el tiempo (un espacio- tiempo curvado). Esto produce efectos únicos, como la ralentización del tiempo cerca de los planetas.
El fenómeno se ha medido y confirmado con gran precisión, y se ha popularizado en películas y novelas de ciencia ficción como Interstellar. Pero, aún se desconoce cómo afecta este flujo cambiante del tiempo a la mecánica cuántica, o si podrían la teoría cuántica, la relatividad general o ambas requerir modificaciones donde se entrelazan. Aunque aún no existe una teoría completa de la gravedad cuántica, hay sugerencias de que los principios cuánticos podrían cambiar en presencia de un espacio-tiempo curvado. Sin embargo, hasta ahora era imposible explorar esta frontera mediante experimentos.
En un estudio previo titulado 'Testing Quantum Theory on Curved Spacetime with Quantum Networks' (Prueba de la teoría cuántica en el espacio-tiempo curvo con redes cuánticas ), publicado en 'Physical Review Research' , Igor Pikovski del Instituto Tecnológico Stevens, Jacob Covey de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign y Johannes Borregaard de la Universidad de Harvard demostraron que ha llegado el momento de realizar experimentos para explorar estas cuestiones mediante redes cuánticas.
Ya en ese momento demostraron cómo dos características únicas, pero distintas, de la teoría cuántica y la gravedad se combinan simultáneamente. En la teoría cuántica existen superposiciones: la materia puede existir no solo en estados definidos específicos, sino también en mezclas de ellos simultáneamente. La computación cuántica aprovecha este hecho para construir cúbits (superposiciones de bits de 0 y 1).
Las redes cuánticas pueden propagar estos cúbits a grandes distancias. Sin embargo, cerca de la Tierra, estos cúbits también se verían afectados por el espacio-tiempo curvo, ya que el propio flujo del tiempo cambia. Los investigadores demostraron que las superposiciones de relojes atómicos en redes cuánticas captarían diferentes flujos temporales, lo que abre la puerta a la investigación sobre cómo se entrelazan la teoría cuántica y el espacio- tiempo curvo.
"La interacción entre la teoría cuántica y la gravedad es uno de los problemas más desafiantes de la física actual, pero también fascinante", detalla Igor Pikovski . "Las redes cuánticas nos ayudarán a comprobar esta interacción por primera vez en experimentos reales".
En colaboración con el laboratorio de Covey, Pikovski y Borregaard desarrollaron un protocolo concreto. El equipo demostró 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. Aprovechando las capacidades cuánticas modernas, como la teletransportación cuántica (transferencia del estado cuántico de una partícula a otra) y los pares de Bell entrelazados (estados de entrelazamiento máximo de dos cúbits) en matrices atómicas, se puede poner a prueba la teoría cuántica en el espacio-tiempo curvo.
"Suponemos que la teoría cuántica se cumple en todas partes, pero realmente no sabemos si es cierto", dice Pikovski. "Podría ser que la gravedad altere el funcionamiento de la mecánica cuántica. De hecho, algunas teorías sugieren tales modificaciones, y la tecnología cuántica podrá comprobarlo".
Los resultados de Pikovski, Covey y Borregaard demuestran que las redes cuánticas no solo son una herramienta práctica y útil para una futura internet cuántica, sino que también ofrecen oportunidades únicas para el estudio de la física fundamental que no se pueden lograr con la detección clásica. Como mínimo, ahora es posible comprobar el comportamiento de la mecánica cuántica en el espacio-tiempo curvo.