Los agujeros negros, objetos cósmicos de inmensa densidad y gravedad, intrigaron a científicos durante décadas. Aunque su naturaleza escapa a la percepción directa, los avances en la física teórica y la computación cuántica están abriendo nuevas puertas para desentrañar sus secretos.

Investigadores de la Universidad de Michigan, liderados por el físico Enrico Rinaldi, recurrieron a herramientas avanzadas como la computación cuántica y el aprendizaje automático con inteligencia artificial para explorar el enigma de estos fenómenos astronómicos. Este esfuerzo busca entender los agujeros negros y conectar dos pilares fundamentales de la física: la teoría de partículas y la relatividad general.

Los agujeros negros y la teoría de la dualidad holográfica

El equipo de Rinaldi empleó la “dualidad holográfica”, una teoría que sugiere que la gravedad en tres dimensiones puede estar matemáticamente conectada a partículas en dos dimensiones, indicó Phys.org. Según esta conjetura, lo que ocurre en la superficie de un agujero negro -un disco bidimensional- está intrínsecamente relacionado con las propiedades gravitacionales dentro de él, en tres dimensiones. Este principio implica que fenómenos aparentemente distintos, como la interacción de partículas y la curvatura del espacio-tiempo, podrían ser dos caras de la misma moneda.

Esta idea también plantea una visión más amplia: el universo entero podría ser una proyección holográfica de partículas en una dimensión menor. Este enfoque ofrece una perspectiva prometedora para unificar las teorías de la física de partículas y la relatividad general, algo que ha sido un desafío desde el siglo XX.

Computación cuántica y modelos de matriz

Para probar esta hipótesis, los investigadores recurrieron a la computación cuántica y modelos de matriz, herramientas matemáticas que representan sistemas complejos como las partículas subatómicas, según The Brighter. Los modelos de matriz actúan como bloques de números que describen objetos en teorías como la teoría de cuerdas, donde las partículas se representan como cuerdas unidimensionales.

El objetivo principal del estudio fue encontrar el “estado fundamental” de estos modelos, es decir, la configuración de menor energía de las partículas en el sistema. Este estado determina las propiedades fundamentales del sistema, como si puede actuar como un conductor o un superconductor.

Metodología y herramientas

El estudio utilizó simulaciones numéricas basadas en circuitos cuánticos. En este enfoque, los qubits (unidades de información cuántica) se representan como cables en un circuito, con puertas cuánticas que manipulan la información a través de estos cables. Este proceso permitió al equipo analizar sistemas complejos de manera más efectiva y generar resultados que podrían servir como referencia para futuras investigaciones.

Además, el aprendizaje automático complementó la computación cuántica para optimizar la búsqueda de soluciones en modelos matemáticos complejos. Esta combinación de tecnologías promete acelerar el desarrollo de una teoría cuántica consistente de la gravedad.

Implicaciones científicas

Los resultados del estudio, publicados en la revista PRX Quantum, marcan un avance en la exploración de los agujeros negros y la interacción entre la física de partículas y la relatividad general. Aunque aún estamos lejos de comprender completamente estos objetos, los métodos utilizados ofrecen una base sólida para futuras investigaciones en física teórica.

Los hallazgos también podrían tener aplicaciones prácticas más allá de la astrofísica. Por ejemplo, comprender los estados fundamentales en sistemas cuánticos podría impulsar el desarrollo de nuevos materiales o tecnologías, desde superconductores hasta computadoras cuánticas más potentes.

El equipo de Rinaldi planea ampliar sus estudios utilizando algoritmos cuánticos más avanzados y explorando modelos más detallados. También buscan colaborar con otros investigadores para aplicar estas herramientas a problemas en áreas como la cosmología y la teoría de cuerdas.