Investigadores de la Universidad de Michigan, liderados por el físico Enrico Rinaldi, han utilizado la computación cuántica y el aprendizaje automático para obtener nuevas perspectivas sobre la naturaleza de los agujeros negros. Este estudio innovador, publicado el 3 de febrero de 2025 en PRX Quantum, explora el estado cuántico de los modelos matriciales, avanzando nuestra comprensión de la física de los agujeros negros.
La investigación se basa en el principio holográfico, que sugiere una equivalencia matemática entre las teorías fundamentales de la física de partículas y la gravedad, a pesar de su formulación en diferentes dimensiones. Dos teorías predominantes describen los agujeros negros a través de marcos dimensionales distintos, con la gravedad operando en un espacio tridimensional mientras que la física de partículas se limita a una superficie bidimensional.
Esta dualidad enfatiza la naturaleza interconectada de ambos modelos, ya que la inmensa masa de un agujero negro distorsiona el espacio-tiempo, creando un campo gravitacional que se extiende en tres dimensiones. Esta influencia gravitacional se correlaciona matemáticamente con partículas que se mueven en dos dimensiones sobre el agujero negro. Algunos científicos proponen que todo el universo podría funcionar de manera similar, como una proyección holográfica de partículas.
Rinaldi y su equipo investigaron cómo la computación cuántica y el aprendizaje profundo pueden mejorar la investigación sobre la dualidad holográfica. Su enfoque se centró en calcular el estado de energía fundamental de los modelos matriciales cuánticos, lo que podría desentrañar la naturaleza subyacente de esta dualidad. Estos modelos representan la teoría de partículas, donde eventos matemáticos en un sistema pueden influir en otro que representa la gravedad.
Al resolver modelos matriciales relativamente simples que encapsulan las características de modelos más complejos utilizados para describir agujeros negros, los investigadores buscan comprender las propiedades de la teoría de partículas, lo que podría ofrecer perspectivas sobre la gravedad. Rinaldi señaló: “Entender las propiedades de esta teoría de partículas a través de experimentos numéricos puede revelar algo sobre la gravedad.”
El estudio utiliza circuitos cuánticos, representados como cables conectados a qubits—bits de información cuántica—donde las operaciones cuánticas dictan el flujo de información. Rinaldi comparó el proceso con la música, donde cada paso transforma los qubits en nuevas formas, alcanzando finalmente el estado fundamental.
A través de su trabajo, los investigadores lograron identificar el estado fundamental de dos modelos matriciales utilizando tanto circuitos cuánticos como métodos tradicionales, a pesar de las limitaciones actuales del hardware en cuanto al número de qubits. Rinaldi enfatizó que, aunque los métodos convencionales pueden encontrar la energía del estado fundamental, a menudo no logran proporcionar la estructura completa de la función de onda.
Estos hallazgos representan un paso crítico hacia futuras investigaciones sobre algoritmos cuánticos y aplicaciones de aprendizaje automático en la exploración de la gravedad cuántica a través de la dualidad holográfica. El equipo de Rinaldi planea expandir sus resultados a matrices más amplias y evaluar su resistencia a los efectos de ruido que podrían introducir imprecisiones.