Recreando la curvatura del espacio-tiempo en un simulador cuántico

La teoría de la relatividad funciona bien cuando quieres explicar los fenómenos cósmicos, como las ondas gravitacionales que se crean cuando chocan los agujeros negros. La teoría cuántica funciona bien cuando describe fenómenos a escala de partículas, como el comportamiento de los electrones individuales en un átomo. Pero aún no se ha logrado la combinación de los dos de una manera completamente satisfactoria. La búsqueda de una «teoría cuántica de la gravedad» es una de las tareas no resueltas más importantes de la ciencia.

Esto se debe en parte a que las matemáticas en este campo son muy complejas. Al mismo tiempo, es difícil realizar experimentos adecuados: hay que crear situaciones en las que ambos fenómenos de la teoría de la relatividad jueguen un papel importante, por ejemplo, el espacio-tiempo curvado por masas pesadas y, al mismo tiempo, cuántico. los efectos se vuelven visibles, por ejemplo, la doble partícula y la naturaleza de la longitud de onda de la luz.

En TU Wien en Viena, Austria, se ha desarrollado un nuevo enfoque para esto: las llamadas «simulaciones cuánticas» se utilizan para llegar al fondo de estas preguntas: en lugar de investigar directamente el sistema de interés (es decir, partículas cuánticas en curvas espacio-tiempo), se crea un «sistema típico» mediante el cual se puede conocer por analogía algo sobre el sistema real de interés. Los investigadores ahora han demostrado que este simulador cuántico funciona perfectamente. Los resultados de esta colaboración internacional en la que participan físicos de la Universidad de Creta, la Universidad Tecnológica de Nanyang y FU Berlín ahora se publican en la revista científica Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América (PNAS).

Aprendizaje de un sistema a otro

La idea básica detrás de un simulador cuántico es simple: muchos sistemas físicos son iguales. Incluso si son tipos de partículas o sistemas físicos completamente diferentes en diferentes niveles que, a primera vista, no tienen nada que ver entre sí, estos sistemas pueden estar sujetos a las mismas leyes y ecuaciones en un nivel más profundo. Esto significa que uno puede aprender algo acerca de un sistema en particular al estudiar otro sistema.

«Tomamos un sistema cuántico que sabemos que podemos controlar y modificar muy bien en experimentos,dice el profesor Jörg Schmidmeier del Instituto Atómico de TU Wien. «En nuestro caso, se trata de nubes atómicas muy frías mantenidas y manipuladas por un chip atómico con campos electromagnéticos». Supongamos que ha modificado adecuadamente estas nubes atómicas para que sus propiedades puedan traducirse a otro sistema cuántico. En este caso, puede aprender algo sobre el otro sistema midiendo el sistema del modelo de nube atómica, tal como puede aprender algo sobre la oscilación de un péndulo a partir de la oscilación de una masa unida a un resorte de metal: son dos sistemas físicos diferentes , pero uno puede traducirse en el otro.

efecto de lente gravitacional

«Ahora hemos podido demostrar que podemos producir efectos de esta manera que pueden usarse para imitar la curvatura del espacio-tiempo». dice Mehmetamine Tajik del Centro de Viena para la Ciencia y Tecnología Cuántica (VCQ) – TU Wien, primer autor del artículo actual. En el vacío, la luz se propaga a lo largo de lo que se llama un «cono de luz». La velocidad de la luz es constante. En tiempos iguales, la luz viaja la misma distancia en cada dirección. Sin embargo, si la luz se ve afectada por masas pesadas, como la gravedad del Sol, estos conos de luz se doblan. Los caminos de luz ya no son perfectamente rectos en un espacio-tiempo curvo. Esto se llama el «efecto de lente gravitacional».

Lo mismo puede aparecer ahora en las nubes atómicas. En lugar de la velocidad de la luz, se examina la velocidad del sonido. «Ahora tenemos un sistema en el que hay un efecto que corresponde a la curvatura del espacio-tiempo o la lente gravitatoria, pero al mismo tiempo, es un sistema cuántico que se puede describir usando teorías cuánticas de campos». Muhammadamine tayiko dice. «Con esto, tenemos una herramienta completamente nueva para estudiar la relación entre la relatividad y la teoría cuántica».

Un sistema modelo para la gravedad cuántica

Los experimentos muestran que la forma de los conos de luz, los efectos de lente, los reflejos y otros fenómenos pueden manifestarse en estas nubes atómicas tal como se esperaría en los sistemas cósmicos relativistas. Esto no solo es interesante para generar nuevos datos para la investigación teórica básica: la física del estado sólido y la búsqueda de nuevos materiales también enfrentan preguntas que tienen una estructura similar y, por lo tanto, pueden responderse mediante tales experimentos.

«Ahora queremos controlar mejor estas nubes atómicas para determinar más datos de largo alcance. Por ejemplo, todavía es posible alterar las interacciones entre partículas de una manera muy específica,explica Jörg Schmiedmayer. De esta forma, un simulador cuántico puede recrear situaciones físicas que son demasiado complejas para ser computadas incluso con supercomputadoras.

El simulador cuántico se convierte así en una nueva fuente adicional de información para la investigación cuántica, además de cálculos teóricos, simulaciones por computadora y experimentos directos. Al estudiar las nubes atómicas, el equipo de investigación espera descubrir nuevos fenómenos que pueden ser completamente desconocidos hasta ahora, que también ocurren en una escala cósmica relativista, pero sin observar partículas diminutas, es posible que nunca se hayan descubierto. .

fuente: https://www.tuwien.at/ar/