Físicos Relacionan una Nueva Propiedad Cuántica con la Emergencia del Espaciotiempo

^{Por: Amal Pushp, Físico Afiliado de Resonance Science Foundation} 

El origen del espaciotiempo es una de las cuestiones más intrigantes de los fundamentos de la física. Es una de las muchas cuestiones que han inquietado esencialmente a los científicos durante siglos. Los teóricos modernos han ideado varios marcos que han intentado aproximarse a las principales condiciones que condujeron a la emergencia del espaciotiempo. Algunas de estas teorías son la gravedad emergente, la teoría de conjuntos causales, la teoría de la información y múltiples modelos dentro del emprendimiento de la gravedad cuántica.

Los físicos llevan mucho tiempo pensando que el espacio y el tiempo son propiedades esencialmente derivadas de algo más concreto; sin embargo, aún no está muy claro qué podría ser ese algo más fundamental. Existen varias pruebas en la literatura científica que aparentemente apuntan hacia la no fundamentalidad del espaciotiempo. Esencialmente con la propuesta de la dualidad gauge/gravedad, las teorías de la emergencia del espaciotiempo han despertado un gran interés entre la comunidad de físicos.

La dualidad gauge/gravedad o AdS/CFT, es esencialmente una dualidad entre dos teorías físicas: las teorías cuánticas de campos y las teorías gravitatorias aplicadas esencialmente a sistemas físicos para simplificar los cálculos. Esto es posible porque las teorías gravitacionales interactúan débilmente por naturaleza y, por tanto, los cálculos que de otro modo serían difíciles de abordar en las teorías cuánticas de campos que interactúan fuertemente resultan más fáciles de abordar en las primeras. En otras palabras, debido a la conexión entre las dos teorías, el tratamiento de un determinado problema de una teoría podría hacerse en una teoría diferente en la que el mismo problema se vuelve más fácil de resolver. Esta dualidad indica aparentemente que el espaciotiempo no es fundamental, sino más bien una propiedad derivada.

Además, el entrelazamiento cuántico se considera uno de los factores principales y es un componente clave de otro marco que trata de la emergencia del espaciotiempo [2]. Este marco, debido al físico Mark van Raamsdonk, de la Universidad de Columbia Británica, fue muy bien recibido por la comunidad y le valió un premio de la Gravity Research Foundation. La conclusión del artículo original de Raamsdonk explica la importancia del entrelazamiento en la emergencia del espaciotiempo [2]:

"Hemos visto que podemos conectar los espaciotiempos entrelazando grados de libertad y separarlos desentrelazándolos. Es fascinante que el fenómeno intrínsecamente cuántico del entrelazamiento parezca ser crucial para la aparición de la geometría clásica del espaciotiempo".

^{La figura representa la relación bulk-borde en la dualidad AdS/CFT. Fuente: [1]} 

Ahora, considerando el caso de los agujeros negros, la suavidad del espaciotiempo dentro del bulk (región de concentración óptima de masa) de los agujeros negros, es directamente proporcional a la extensión del entrelazamiento en el borde. Sin embargo, el entrelazamiento por sí solo no puede describir completamente el agujero negro, por lo que se necesita un factor adicional que pueda describir coherentemente el sistema bulk-borde del agujero negro en su totalidad.

Físicos del RIKEN Interdisciplinary Theoretical and Mathematical Sciences (iTHEMS), han propuesto una nueva propiedad cuántica denominada "magia" que, en esencia, permite describir el comportamiento caótico de los agujeros negros. Es un hecho bien establecido que la información de cualquier objeto que cae en un agujero negro se pierde aparentemente, y su recuperación es una tarea ardua. Los físicos del estudio actual, creen que la magia puede servir como fuente adicional de información para abordar la aparente paradoja. Según su artículo original [3]  

“La magia (monótona) es la medida de la cantidad de recurso no estabilizador, y mide lo difícil que es para un computador clásico simular el estado".

En su estudio, la magia va acompañada de dos cantidades adicionales que ayudan a evaluarla. Estas dos cantidades son "Mana" y "RoM" (Robustez de la Magia) y son esenciales para cuantificar los estados mágicos cuánticos. Los detalles conceptuales y matemáticos de estas magnitudes se explican detalladamente en el artículo original del equipo RIKEN, y se recomienda al lector que lo consulte.

En conclusión, los cálculos del equipo de investigación revelan que en un sistema caótico (como un agujero negro), cualquier estado evolucionará hacia el más difícil de simular o, en otras palabras, hacia un estado que sea máximamente mágico. El trabajo establece así un fuerte vínculo entre los sistemas caóticos y el estado mágico cuántico. Y lo que es más importante, también sirve como un poderoso componente del mecanismo de emergencia del espaciotiempo.

Referencias 

[1] A. Jahn, J. Eisert, “Holographic tensor network models and quantum error correction: A topical review”, Quant. Sc. Tech. 6, 033002 (2021). DOI: 10.1088/2058-9565/ac0293 

[2] Mark Van Raamsdonk, “Building up space–time with quantum entanglement”, International Journal of Modern Physics D (2010). DOI: 10.1007/s10714-010-1034-0 

[3] Kanato Goto et al, Probing chaos by magic monotones, Physical Review D (2022). DOI: 10.1103/PhysRevD.106.126009