Un equipo de investigación liderado por Enrico Rinaldi, físico de la Universidad de Michigan, ha utilizado la computación cuántica y el aprendizaje automático para analizar el estado cuántico de un modelo matricial, proporcionando así nuevos conocimientos sobre la naturaleza de los agujeros negros.

El estudio se basa en el principio holográfico, el cual sugiere que las teorías fundamentales de la física de partículas y la gravedad son matemáticamente equivalentes, a pesar de estar formuladas en dimensiones diferentes. Dos teorías dominantes describen los agujeros negros desde diferentes perspectivas dimensionales. En un marco, la gravedad opera dentro de la geometría tridimensional del agujero negro, mientras que la física de partículas se confina a la superficie bidimensional, similar a un disco plano. Esta dualidad resalta la conexión entre ambas teorías y refuerza su naturaleza interrelacionada.

Un agujero negro, debido a su inmensa masa, curva el espacio-tiempo, generando un campo gravitatorio que se extiende en tres dimensiones. Esta influencia gravitacional se conecta matemáticamente con las partículas que se mueven en dos dimensiones sobre el agujero negro. Como resultado, aunque un agujero negro existe en el espacio tridimensional, puede parecer a los observadores como una proyección de partículas.

En una investigación reciente publicada en PRX Quantum, Rinaldi y su equipo explora cómo la computación cuántica y el aprendizaje profundo pueden avanzar en la investigación sobre la dualidad holográfica. Su trabajo se centra en calcular el estado de energía más bajo de modelos matriciales cuánticos, construcciones matemáticas que pueden ayudar a desentrañar la naturaleza de esta dualidad.

Estos modelos matriciales representan la teoría de partículas. Según la dualidad holográfica, los eventos matemáticos en un sistema que representa la teoría de partículas también pueden afectar a un sistema que representa la gravedad. Por lo tanto, al resolver un modelo matricial cuántico, se pueden obtener conocimientos sobre fenómenos gravitatorios.

Los investigadores han utilizado dos modelos matriciales, relativamente sencillos de resolver mediante métodos convencionales, pero que poseen todas las características de modelos más complejos utilizados para describir agujeros negros mediante la dualidad holográfica.

Rinaldi enfatiza la importancia de comprender el estado de energía más bajo, ya que este define las propiedades fundamentales del sistema. Para abordar este problema, los investigadores recurrieron a circuitos cuánticos. Estos circuitos se representan como cables, cada uno asociado con un 'qubit' (un bit de información cuántica). Las puertas cuánticas, operaciones que determinan cómo fluye la información a través de los cables, se colocan sobre ellos. Al optimizar estos parámetros mediante un proceso repetitivo, se logra encontrar el estado de energía más bajo del sistema.

Componentes de un agujero negro

Un agujero negro consta de varios componentes, cada uno contribuyendo a su naturaleza compleja:

• Singularidad: En el centro del agujero negro, la singularidad es un punto donde la gravedad es tan intensa que el espacio-tiempo se curva infinitamente y las leyes físicas conocidas colapsan.

• Horizonte de sucesos: Es el punto de no retorno. Cualquier cosa que cruce esta línea no puede escapar de la atracción gravitatoria del agujero negro.

• Esfera de fotones: Justo fuera del horizonte de sucesos, la esfera de fotones es una región donde la luz puede orbitar alrededor del agujero negro debido a su extrema gravedad.

• Disco de acreción: Muchos agujeros negros están rodeados por un disco de acreción, un anillo de gas y polvo que emite radiación al calentarse por la fricción.

• Ergosfera (para agujeros negros rotantes): Una región fuera del horizonte de sucesos donde el espacio-tiempo es arrastrado por la rotación del agujero negro.

• Jets relativistas: Algunos agujeros negros expulsan potentes chorros de partículas cargadas a lo largo de su eje de rotación, alcanzando distancias interestelares.