Experimento Propuesto para Demostrar un Agujero de Gusano Atravesable a Través del Protocolo de Teleportación Cuántica Contrafactual

Por: William Brown, científico de Resonance Science Foundation

En anteriores artículos originales de RSF hemos analizado experimentos que probaban la teleportación de qubits a través de un microagujero de gusano atravesable y la teleportación de energía utilizando la correlación espacial intrínseca (entrelazamiento cuántico) de la densidad de energía del vacío. En cada caso, y de hecho en todos los experimentos de teleportación cuántica, los sistemas "emisor" y "receptor" deben intercambiar primero información y este intercambio de información debe producirse, necesariamente, a través de un canal clásico (es decir, a la velocidad de la luz o por debajo de ella). Esto significa que, aunque la teleportación cuántica es un método inteligente para aprovechar el tipo de fuerte correlación espacial que sólo se da en los sistemas cuánticos para transferir un estado de información o energía de un sistema a otro con un 100% de fidelidad, este no es el tipo de teleportación en el que solemos pensar, en el que algo se transfiere instantáneamente de un lugar a otro o se reconstituye de un lugar a otro sin tránsito intermedio. El requisito de que el receptor necesite información que sólo puede enviarse a través de un canal de comunicación clásico significa que la transferencia nunca se producirá a una velocidad superior a la de la luz (y, por tanto, no violará la causalidad ni la relatividad de la simultaneidad).

Un agujero de gusano atravesable es un tipo efectivo de teleportación, ya que entrar por un lado del puente de Einstein-Rosen y salir por el otro, constituiría una translocación casi instantánea. Puesto que esta geometría del espaciotiempo con múltiples conexiones está permitida en el marco de la relatividad general, es posible (y realmente necesario en la física unificada/gravedad cuántica) que existan agujeros de gusano y, por tanto, que sea posible la teleportación. Pero, ¿por qué en la teleportación cuántica se requiere una señal clásica -un intercambio físico de información a la velocidad de la luz o por debajo de ella- si la teleportación se produce a través de un microagujero de gusano atravesable, como se señala en el experimento del computador cuántico Sycamore de Google? Resulta que, tras un análisis más detallado, hay algunas consideraciones significativas que sugieren que el experimento no demostró realmente la teleportación gravitacional a través de un microagujero de gusano. Las razones de esto son detalladas, pero en resumen: se ha sugerido que la función que especifica la evolución del estado del sistema de qubits, que fue altamente "refinada" mediante un procedimiento de aprendizaje automático, no mostraba las características clave que se esperan de la teleportación gravitacional a través de un agujero de gusano atravesable. La crítica completa se detalla en el informe: Comment on “Traversable wormhole dynamics on a quantum processor” [1].  

Como se desprende de la crítica al protocolo de teleportación de qubits por agujeros de gusano atravesables, los experimentos cuánticos gravitacionales en el laboratorio (quantum gravitational experiments in the lab) [2]  no son tarea fácil, pero a pesar de los retos, los físicos siguen adelante con sus planes para los próximos experimentos de teleportación gravitacional. La próxima gran prueba de la gravedad cuántica: una teleportación completa en la que un sistema se reconstituirá de un lugar a otro sin intercambio intermedio de información. Esto es teleportación en el verdadero sentido del término, y además de dilucidar a través de la experimentación directa la naturaleza de los agujeros de gusano del mundo real y la gravedad cuántica, puede conducir a avances tecnológicos como la comunicación 'inhackeable' y las computadoras cuánticas libres de intercambio, donde la salida se accede a la información instantáneamente sin pasar necesariamente por el procesamiento computacional o la transmisión [3].

"... un experimento de contraportación que demuestra la atravesabilidad del espacio, por medio de lo que es esencialmente una computadora cuántica libre de intercambio, de 2 qubits, puede señalar la existencia en el laboratorio de agujeros de gusano atravesables". -Hatim Salih, From Counterportation to Local Wormholes

Protocolo para la Comunicación Cuántica Contrafactual Directa

El experimento propuesto tiene como objetivo la teleportación completa sin intercambio de intermediarios físicos entre "emisor" y "receptor" y, si tiene éxito, será la demostración más contundente de la física de agujeros de gusano atravesables lograda hasta ahora.El experimento se detalla en la revista Quantum Science and Technology [4] y se basa en un protocolo concebido y escrito por el físico Hatim Salih [5], investigador honorario de los laboratorios Quantum Engineering Technology (QET) de la Universidad de Bristol y cofundador de la start-up DotQuantum. El procedimiento utiliza lo que se denomina comunicación cuántica contrafactual, o lo que Hatim Salih denomina "contraportación" (término compuesto de "teleportación cuántica contrafactual") porque, aunque logra el objetivo final de la teleportación (translocación incorpórea casi instantánea), a diferencia de la teleportación cuántica que requiere la intercambio espacial de una señal física, la contraportación lo hace sin portadores de información detectables (en ese sentido es comunicación contrafactual).

La comunicación contrafactual es muy anterior a la mecánica cuántica y, de hecho, la utilizamos todo el tiempo en el proceso de hacer inferencias. Si ocurriera A, ocurriría B; B no ocurrió; por tanto, A no ocurrió. Sin embargo, la comunicación cuántica contrafactual utiliza la dualidad onda-partícula de una señal (un qubit portador de información) y se basa en el comportamiento, a menudo contraintuitivo, de sistemas cuánticos como electrones, fotones, átomos o iones. Uno de esos estados peculiares de un sistema cuántico es la superposición o función de onda, basada en la dualidad onda-partícula que puede hacer que una partícula, como un qubit, parezca comportarse como si estuviera deslocalizada como una nube en el campo, estando en todas partes a la vez y en ninguna específica al mismo tiempo.La interrogación (es decir, la medición) de la posición de una función de onda de este tipo puede hacer que parezca que se ha "colapsado" en una posición definida, y a menudo se describe como reducción de la función de onda. Desde el punto de vista de la física unificada, se sabe que la función de onda nunca se colapsa realmente, sino que sólo se estrecha -por así decirlo-, pero sigue evolucionando unitariamente con la función de onda universal (una guía de ondas no local que determina las trayectorias de partículas localmente aisladas; véase la Interpretación de Bohm de la mecánica cuántica -Bohm’s Interpretation of quantum mechanics- y la teoría de la onda piloto de de Broglie-Bohm).

Sin embargo, con el procesamiento de información cuántica, el objetivo es mantener el estado de superposición de las partículas portadoras de información, o qubits, para que la función de onda pueda aprovecharse al máximo. Esto puede presentar un gran desafío cuando se trata de procesamiento de información computacional, porque el procesamiento de cómputo convencional se basa en la interrogación (lectura) del estado de los bits informativos. Sin embargo, si esto se hace con un estado cuántico, la función de onda se reduce y ya no se puede utilizar para el procesamiento de información cuántica. Sin embargo, existe un método para mantener la función de onda mientras se sigue accediendo a la información que transporta el estado de superposición de qubit, y es a través de "medidas suaves" o mediciones sin interacción. El cálculo contrafactual es solo un ejemplo de una medición sin interacción, y el protocolo ha sido verificado experimentalmente [6,7,8].

^{_{Figura 1.} Diagrama esquemático del protocolo de Salih et al. para la comunicación contrafactual, en la que, por cada bit comunicado, es demostrable que no se ha enviado ningún fotón a Bob. Los divisores de haz dividen la amplitud de probabilidad de un fotón entre los dos estados propios que corresponden al fotón que va en cada dirección; en el caso clásico, dividen la intensidad del haz (y el campo). Como sigue habiendo interferencia, cuando Bob no bloquea, las ondas de ambos lados siguen interfiriendo destructivamente, por lo que la luz nunca vuelve a Alice. Sin embargo, tanto el D3 de Bob como el D0 de Alice detectan la luz simultáneamente. Del mismo modo, cuando él bloquea, la luz va a sus bloqueadores y al D1 de Alice simultáneamente. Por lo tanto, en ambos casos, como la luz va entre Alice y Bob, no es contrafactual. La única forma de evitarlo es forzar a la luz a terminar en un solo punto: postseleccionar, de forma que la información sólo viaje cuando no pase nada entre Alice y Bob. Sólo los fotones individuales pueden hacer esto. Por lo tanto, la única manera de hacer que el protocolo sea contrafactual es utilizarlos, y así hacer que el protocolo sea cuántico}.

Efecto Cuántico de Zenón Encadenado

El hecho de que los qubits en un estado cuántico como la función de onda se alteren irreversiblemente al ser interrogados (o medidos), ofrece una interesante posibilidad de utilizar la función de onda para la criptografía cuántica, ya que cualquier intento de fisgoneo por parte de un fisgón en un canal cuántico hará que las funciones de onda de los qubits se reduzcan y sean inmediatamente detectables [9]. Basados en mediciones sin interacción, o interrogación cuántica, se han desarrollado y aplicado con éxito varios protocolos de distribución de claves cuánticas (QKD por sus siglas en inglés), que abren la puerta a un protocolo de comunicación cuántica contrafactual en el que no se necesitan qubits portadores de información para transmitir físicamente claves criptográficas entre emisor y receptor. La idea básica de la medición sin interacción, central tanto para la criptografía contrafactual como para la computación contrafactual, hace uso de la observación experimental de que la presencia de un objeto obstructor (que actúa como dispositivo de medición) dentro de un entorno de interferómetro (que produce y guía ondas cuánticas) destruye la interferencia incluso si el objeto no absorbe ninguna partícula.

Esto tiene la sorprendente consecuencia de que, a veces, la presencia de un objeto de este tipo puede inferirse sin que el objeto interactúe directamente con ninguna partícula (interrogadora). El protocolo QKD contrafactual utiliza el efecto cuántico de Zenón, que se refiere al hecho de que la medición repetida de un sistema cuántico en evolución puede inhibir su evolución, dejándolo en su estado inicial, un efecto a menudo parafraseado como "una tetera vigilada nunca hierve". Mediante la aplicación de una versión encadenada del efecto cuántico de Zenón, la información puede intercambiarse directamente entre emisor y receptor sin que haya partículas físicas viajando entre ellos, realizando una comunicación directa contrafactual.

Contraportación a Través de un Agujero de Gusano Cuántico

De forma similar al protocolo de teleportación cuántica de energía, el protocolo de teleportación de agujero de gusano cuántico contrafactual aprovecha el hecho de que sistemas cuánticos completamente separados pueden correlacionarse sin haber interactuado nunca a través de la fuerte correlación espacial intrínseca del entrelazamiento en el vacío (la red de espaciomemoria unificada [10,11]). Esta correlación a distancia puede utilizarse entonces para transportar información cuántica (qubits) de un lugar a otro sin que una partícula tenga que atravesar físicamente el espacio intermedio, lo que revela la geometría integral del espaciotiempo multiconectado de la red de microagujeros de gusano que lo conecta todo.

El experimento para probar el protocolo de teleportación (contraportación) de agujero de gusano cuántico contrafactual utilizará electrodinámica cuántica de cavidad en una configuración óptica, donde se puede demostrar que la comunicación se ha logrado sin fotones detectables atravesando el canal entre dos partes comunicantes (a menudo denominado Alice y Bob), no se realizan mediciones entre un estado cuántico inicial y un estado cuántico final y, por lo tanto, un estado físico subyacente, un agujero de gusano atravesable, es lo que ha transportado la información cuántica a través del espacio. Tal comunicación sin intercambio solo se puede explicar a través de la correspondencia holográfica ERb = EPR de Maldacena-Susskind, en la que los estados cuánticos como el entrelazamiento de qubits son equivalentes o una manifestación de una conexión de agujero de gusano cuántico a través del espacio entre los dos sistemas. El experimento propuesto por Hatim implementará la construcción de un circuito computacional universal de 2 qubits sin intercambio, o puerta (una puerta CNOT, combinada con operaciones de un solo qubit), para transportar contrafactualmente un estado cuántico desconocido de uno o más remitentes a uno o más receptores a través del espacio, mediante un agujero de gusano local, un experimento que, si tiene éxito, será una demostración del protocolo de contraportación de Hatim.

RSF en Perspectiva-

El concepto de computación/comunicación cuántica sin intercambio, tiene implicaciones significativas para el modelo de física unificada expuesto por Haramein y Brown [10, 11], que explica la mecánica de procesos dinámicos como la evolución y el desarrollo de sistemas físicos generales en el universo -hacia niveles cada vez mayores de orden y sinergética organizacional- que conducen a la aparición de formas vivas de materia, sistemas vivos, e incluso la mecánica subyacente de la consciencia como algo que ocurre mediante un intercambio de información transtemporal, o resonancia mórfica, a través de la red intrínseca de agujeros de gusano del espacio(tiempo). Por ejemplo, en lo que respecta a las teorías sobre la aparición de sistemas sintientes, es muy común en la teoría científica convencional equiparar la conciencia con los procesos computacionales o, más concretamente, con la neurocomputación dentro del cerebro.

Sin embargo, este paradigma adolece de un malentendido fundamental sobre la naturaleza del sistema biológico y de una importante falta de imaginación, ya que los teóricos toman nuestro medio contemporáneo más eficaz de procesamiento de la información, el computador digital, e intentan equiparar el procesador de información biológicamente equivalente a una especie de computador orgánico digital. Para ver cómo este marco conceptual puede ser miope, considere que nuestro nivel de sofisticación tecnológica proviene de unos dos o tres mil años de desarrollo (dependiendo de la métrica que quiera utilizar, digamos que comienza alrededor de la era que vio el desarrollo del computador analógico de Anticitera), mientras que la tecnología natural del sistema biológico ha tenido cientos de millones de años de refinamiento, por lo que puede ser un poco más avanzada de lo que somos capaces de reconocer en nuestro nivel actual de comprensión.

El problema con el paradigma neurocomputacional (y por qué nuestras computadoras actuales no son una tecnología de información superior) es doble: (1) no hay indicios de que el cerebro esté almacenando información digitalmente a través de estados binarios, por lo tanto, no es una computadora digital, y (2) las computadoras digitales (nuestro medio actual más avanzado de procesamiento de información) parecerán tecnológicamente rudimentarias para los futuros sistemas de procesamiento de información casi instantáneos, como la computadora cuántica libre de intercambio (que usa teleportación a través de agujeros de gusano atravesables). Por lo tanto, la mente y los correlatos fisiológicos del procesamiento mental no realizan cálculos digitales secuenciales para, por ejemplo, recordar estados pasados (memoria) donde una red de neuronas representa valores binarios "encendido" / "apagado", sino que hay un acceso directo instantáneo de estados pasados (e incluso estados potenciales "futuros") a través del entrelazamiento temporal de la red intrínseca de agujeros de gusano multiconectados del espacio. Una computadora basada en los mismos principios no procesará tanto la información, sino que accederá instantáneamente a la salida (esto también puede pensarse en términos del multiverso: en el cual hay acceso a universos paralelos donde las "respuestas" ya han sido calculadas y son por lo tanto, disponible en universos donde el procesamiento de información secuencial real aún no ha ocurrido físicamente).

Otra implicación destacada es la necesidad de desarrollar una tecnología de comunicación que no esté limitada por la velocidad de la luz. Para que la civilización humana sobreviva en el futuro, debe dominar los viajes interestelares. A distancias interestelares, la comunicación a través de señales de luz (como la transmisión de radio) no es factible; sin siquiera considerar los requisitos de potencia para enviar una señal lo suficientemente fuerte a años luz de distancia, es completamente impráctico tener un tiempo de transmisión de varios años (más de 8 años para enviar y recibir un mensaje entre la Tierra y su sistema solar más cercano, Alpha Centauri). Esta es la razón por la que el SETI no ha detectado ninguna transmisión de radio: las civilizaciones tecnológicamente avanzadas no se comunican a través de señales electromagnéticas. En su lugar, aprovechando el entrelazamiento espacial intrínseco del vacío cuántico y la red de agujeros de gusano multiconectados del espaciotiempo, es más probable que las civilizaciones avanzadas estén utilizando una forma de comunicación cuántica sin intercambio, y esta puede ser nuestra mejor apuesta para una tecnología de comunicación interestelar que abarque parsecs. Así pues, ¡el protocolo y el experimento propuestos por Hatim Salih no pueden ser más importantes! Y quizás conduzca a una vía de investigación que un día haga realidad la comunicación casi instantánea y la tecnología computacional.

Referencias

[1] B. Kobrin, T. Schuster, and N. Y. Yao, “Comment on ‘Traversable wormhole dynamics on a quantum processor’”. 15 Feb 2023, https://arxiv.org/abs/2302.07897

[2] D. Carney, P. C. E. Stamp, and J. M. Taylor, “Tabletop experiments for quantum gravity: a user’s manual,” Class. Quantum Grav., vol. 36, no. 3, p. 034001, Jan. 2019, doi: 10.1088/1361-6382/aaf9ca

[3] O. Hosten, M. T. Rakher, J. T. Barreiro, N. A. Peters, and P. G. Kwiat, “Counterfactual quantum computation through quantum interrogation,” Nature, vol. 439, no. 7079, pp. 949–952, Feb. 2006, doi: 10.1038/nature04523

[4] H. Salih, “From counterportation to local wormholes,” Quantum Sci. Technol., vol. 8, no. 2, p. 025016, Mar. 2023, doi: 10.1088/2058-9565/ac8ecd

[5] H. Salih, Z.-H. Li, M. Al-Amri, and M. S. Zubairy, “Protocol for Direct Counterfactual Quantum Communication,” Phys. Rev. Lett., vol. 110, no. 17, p. 170502, Apr. 2013, doi: 10.1103/PhysRevLett.110.170502

[6] M. Ren, G. Wu, E. Wu, and H. Zeng, “Experimental demonstration of counterfactual quantum key distribution,” Laser Phys., vol. 21, no. 4, pp. 755–760, Apr. 2011, doi: 10.1134/S1054660X11070267

[7] G. Brida, A. Cavanna, I. P. Degiovanni, M. Genovese, and P. Traina, “Experimental realization of Counterfactual Quantum Cryptography.” arXiv, Jul. 27, 2011. Accessed: Apr. 03, 2023. [Online]. Available: http://arxiv.org/abs/1107.5467

[8] Y. Liu et al., “Experimental demonstration of counterfactual quantum communication,” Phys. Rev. Lett., vol. 109, no. 3, p. 030501, Jul. 2012, doi: 10.1103/PhysRevLett.109.030501

[9] C. H. Bennett, “Quantum cryptography using any two nonorthogonal states,” Phys. Rev. Lett., vol. 68, no. 21, pp. 3121–3124, May 1992, doi: 10.1103/PhysRevLett.68.3121

[10] N. Haramein, W. D. Brown, and A. Val Baker, “The Unified Spacememory Network: from Cosmogenesis to Consciousness,” Neuroquantology, vol. 14, no. 4, Jun. 2016, doi: 10.14704/nq.2016.14.4.961

[11] W. Brown, “Unified Physics and the Entanglement Nexus of Awareness,” NeuroQuantology, vol. 17, no. 7, pp. 40–52, Jul. 2019, doi: 10.14704/nq.2019.17.7.2519