La teoría de la relatividad funciona bien cuando quieres explicar fenómenos a escala cósmica, como las ondas gravitacionales creadas cuando los agujeros negros chocan. 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 combinar los dos de una manera completamente satisfactoria. La búsqueda de una «teoría cuántica de la gravedad» se considera una de las importantes tareas no resueltas de la ciencia.
Esto se debe en parte a que las matemáticas en este campo son muy complicadas. Al mismo tiempo, es difícil realizar experimentos adecuados: habría que crear situaciones en las que los fenómenos de la teoría de la relatividad desempeñen un papel importante, por ejemplo, un espacio-tiempo curvado por masas pesadas y, al mismo tiempo, efectos cuánticos. hacerse visible, por ejemplo, la naturaleza dual de partículas y ondas de la luz.
En la TU Wien en Viena, Austria, ahora se ha desarrollado un nuevo enfoque para este propósito: se utiliza un llamado «simulador cuántico» para llegar al fondo de tales preguntas: en lugar de investigar directamente el sistema de interés (es decir, cuántica partículas en el espacio-tiempo curvo), se crea un «sistema modelo» a partir del cual se puede aprender algo sobre el sistema de interés real por analogía. Los investigadores ahora han demostrado que este simulador cuántico funciona de manera excelente. Los hallazgos de esta colaboración internacional que involucra a 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 EE. UU. (PNAS).
Aprender de un sistema sobre otro
La idea básica detrás del simulador cuántico es simple: muchos sistemas físicos son similares. Incluso si son tipos de partículas o sistemas físicos completamente diferentes en diferentes escalas que, a primera vista, tienen poco que ver entre sí, estos sistemas pueden obedecer las mismas leyes y ecuaciones en un nivel más profundo. Esto significa que uno puede aprender algo sobre un sistema en particular al estudiar otro.
«Tomamos un sistema cuántico que sabemos que podemos controlar y ajustar muy bien en los experimentos», dice el profesor Jörg Schmiedmayer del Instituto Atómico de TU Wien. «En nuestro caso, se trata de nubes atómicas ultrafrías mantenidas y manipuladas por un chip atómico con campos electromagnéticos». Suponga que ajusta correctamente estas nubes atómicas para que sus propiedades puedan traducirse a otro sistema cuántico. En ese caso, puede aprender algo sobre el otro sistema a partir de la medición del sistema del modelo de nube atómica, al igual que 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 diferentes sistemas físicos, pero uno puede traducirse en el otro.
El efecto de lente gravitacional
«Ahora hemos podido demostrar que podemos producir efectos de esta manera que pueden usarse para parecerse a la curvatura del espacio-tiempo», dice Mohammadamin Tajik del Centro de Ciencia y Tecnología Cuántica de Viena (VCQ) — TU Wien, primer autor del papel actual. En el vacío, la luz se propaga a lo largo del llamado «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 está influenciada por masas pesadas, como la gravitación del sol, estos conos de luz se doblan. Los caminos de la luz ya no son perfectamente rectos en espacios-tiempos curvos. Esto se llama «efecto de lente gravitacional».
Lo mismo ahora se puede mostrar 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 lente gravitacional, pero al mismo tiempo es un sistema cuántico que se puede describir con teorías cuánticas de campos», dice Mohammadamin Tajik. «Con esto, tenemos una herramienta completamente nueva para estudiar la conexión 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 se pueden demostrar en estas nubes atómicas precisamente como se espera 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 encuentran preguntas que tienen una estructura similar y, por lo tanto, pueden responderse mediante tales experimentos.
«Ahora queremos controlar mejor estas nubes atómicas para determinar datos de mayor alcance. Por ejemplo, las interacciones entre las partículas todavía se pueden cambiar de una manera muy específica», explica Jörg Schmiedmayer. De esta forma, el simulador cuántico puede recrear situaciones físicas tan complicadas que no se pueden calcular ni siquiera con superordenadores.
El simulador cuántico se convierte así en una nueva fuente adicional de información para la investigación cuántica, además de los cálculos teóricos, las simulaciones por computadora y los experimentos directos. Al estudiar las nubes atómicas, el equipo de investigación espera encontrar nuevos fenómenos que pueden haber sido completamente desconocidos hasta ahora, que también tienen lugar en una escala relativista cósmica, pero sin una mirada a las partículas diminutas, es posible que nunca se hayan producido. descubierto.
