¿Es el Espaciotiempo un Código Cuántico?

Por: Dr. Olivier Alirol, Investigador de Resonance Science Foundation

En 2014, los físicos encontraron pruebas de una profunda conexión entre la corrección cuántica de errores  y la naturaleza del espacio, el tiempo y la gravedad. En general, la gravedad se define como el tejido del espacio y el tiempo, pero más allá de la teoría de Einstein, debe haber un origen cuántico del que emerge de alguna manera el espaciotiempo.

Los tres físicos que están en el origen de este descubrimiento, Ahmed Almheiri, Xi Dong y Daniel Harlow, sugirieron que una "emergencia" holográfica del espaciotiempo funciona igual que un código cuántico de corrección de errores. En su artículo "Bulk Locality and Quantum Error Correction in AdS/CFT" (Localidad a granel y corrección de errores cuántica en AdS/CFT), publicado en su primera versión en noviembre de 2014, mostraron que el espaciotiempo emerge de este código de corrección de errores cuántico en un universo anti-de Sitter (AdS).

El descubrimiento abre una nueva vía para captar más propiedades del espacio-tiempo.

^{De izquierda a derecha: Ahmed Almheiri, Xi Dong y Daniel Harlow originaron una nueva y poderosa idea de que el tejido del espacio-tiempo es un código cuántico de corrección de errores}.

La idea principal fue considerar un universo virtual llamado "espacio anti-de Sitter" (AdS) que funciona como un holograma. En esta representación, el espacio-tiempo en el interior del universo es una proyección que surge de las partículas cuánticas entrelazadas presentes en su límite exterior. El espacio AdS es bien conocido por los físicos gracias a Juan Maldacena, que propuso la correspondencia anti-de Sitter/teoría de campo conformacional (AdS/CFT), según la cual el espacio-tiempo es "holográficamente dual" con una teoría cuántica de partículas que viven en el límite inferior sin gravedad.

Sin embargo, el universo AdS no es intuitivo. En nuestra vida, experimentamos una geometría del espacio-tiempo de Sitter y es diferente de un espacio AdS. Una de las principales diferencias es que nuestro universo está impregnado de energía del vacío positiva que hace que se expanda sin límites, mientras que el espacio anti-de Sitter tiene energía del vacío negativa. Además, el espacio AdS comparte muchas propiedades clave con un mundo de Sitter y es más sencillo de estudiar. Ambas geometrías del espacio-tiempo cumplen la teoría de Einstein; simplemente se curvan en direcciones diferentes. Y lo que es más importante, ambos tipos de universos contienen agujeros negros.

La corrección cuántica de errores explica cómo el espacio-tiempo logra su "robustez intrínseca", a pesar de estar tejido con material cuántico frágil. Protege la información almacenándola no en qubits individuales, sino en patrones de entrelazamiento entre muchos. Los mejores códigos de corrección de errores suelen poder recuperar toda la información codificada a partir de algo más de la mitad de sus qubits físicos, aunque el resto esté corrupto. Con el espacio-tiempo, parece existir la misma corrección, por lo que cualquier punto del interior del espacio AdS podría construirse a partir de algo más de la mitad de la frontera, al igual que en un código óptimo de corrección de errores cuántico. Todo lo que está dentro de una región del espacio-tiempo interior llamada "cuña de entrelazamiento" puede reconstruirse a partir de qubits en una región adyacente de la frontera.

No andamos con pies de plomo para asegurarnos de que no se desmorone la geometría. Creo que esta conexión con la corrección de errores cuántica es la explicación más profunda que tenemos de por qué es así. - John Preskill, físico teórico del Instituto Tecnológico de California

Y en 2018, Almheiri amplió la teoría a los agujeros negros en un nuevo artículo "Holographic Quantum Error Correction and the Projected Black Hole Interior" ("Corrección de errores cuántica holográfica y el interior del agujero negro proyectado") La teoría permite indagar en los misterios de los agujeros negros. Al parecer, la corrección de errores cuántica es "esencial para mantener la suavidad del espacio-tiempo en el horizonte" de un agujero negro de dos bocas, llamado agujero de gusano. La corrección de errores cuántica, además de evitar los cortafuegos, también explica cómo los qubits escapan de un agujero negro después de caer en él, a través de hilos de entrelazamiento entre el interior y el exterior que son a su vez como agujeros de gusano en miniatura. Esto podría resolver la paradoja de Hawking.

Todo se remonta a los agujeros negros. Estos lugares llenos de paradojas son donde la gravedad alcanza su cenit y la teoría de la relatividad general de Einstein fracasa. [...] Hay algunos indicios de que si se entiende qué código implementa el espacio-tiempo, podría ayudarnos a comprender el interior de los agujeros negros. - Ahmed Almheiri, físico teórico del Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, Nueva Jersey

El lenguaje de la corrección de errores cuántica está proporcionando una nueva forma de describir los agujeros negros. La presencia de un agujero negro se define por "la ruptura de la corregibilidad".

Cuando hay tantos errores que ya no se puede seguir la pista de lo que ocurre en el grueso [espacio-tiempo], se produce un agujero negro. Es como un fregadero para tu ignorancia. En realidad es el entrelazamiento lo que mantiene unido el espacio. Si quieres unir el espacio-tiempo con pequeños trozos, tienes que entrelazarlos de la manera correcta. Y la forma correcta es construir un código cuántico de corrección de errores.

Estos nuevos avances van en la misma dirección que las investigaciones de Nassim Haramein, que sugieren que el espacio-tiempo es mucho más que un vacío.

Lee más en:

Quantamagazine: How Space and Time Could Be a Quantum Error-Correcting Code

Arxiv.org:  Bulk Locality and Quantum Error Correction in AdS/CFT