Nessuno ha creato un vero wormhole. È stato, però, un esperimento potenzialmente rivoluzionario

Negli ultimi giorni, diversi articoli pubblicati sui media, compresa questa rivista, annunciano che i fisici hanno usato un computer quantistico per creare un wormhole, riportando come fonte un nuovo articolo pubblicato su Nature. Mettiamo subito le cose in chiaro: non stiamo parlando di un vero e proprio wormhole attraversabile, cioè un ponte tra due regioni dello spaziotempo che collega la bocca di un buco nero a un altro, attraverso il quale può passare un oggetto fisico, in qualsiasi senso

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Nessuno ha creato un vero wormhole. È stato, però, un esperimento potenzialmente rivoluzionario
Nessuno ha creato un vero wormhole. È stato, però, un esperimento potenzialmente rivoluzionario

I wormhole sono un classico tropo della fantascienza nei media popolari, se non altro perché forniscono un dispositivo di trama futuristico utile per evitare il problema di come violare la relatività con viaggi più veloci della luce.

In realtà, i wormhole sono oggetti puramente teorici. A differenza dei buchi neri, anch’essi una volta ritenuti puramente teorici, non è mai stata trovata alcuna prova dell’esistenza di un vero e proprio wormhole.

Eppure, negli ultimi giorni, diversi articoli pubblicati sui media, compresa questa rivista, annunciano che i fisici hanno usato un computer quantistico per creare un wormhole, riportando come fonte un nuovo articolo pubblicato su Nature.

Mettiamo subito le cose in chiaro: non stiamo parlando di un vero e proprio wormhole attraversabile, cioè un ponte tra due regioni dello spaziotempo che collega la bocca di un buco nero a un altro, attraverso il quale può passare un oggetto fisico, in qualsiasi senso.

C’è una differenza tra qualcosa che è possibile in linea di principio e possibile nella realtà“, ha detto il coautore dello studio Joseph Lykken del Fermilab durante un briefing con i media questa settimana. “Quindi non abbiamo mandati nulla attraverso un wormhole“. Si è trattato solo di un esperimento piuttosto intelligente e ingegnoso a sé stante che ha fornito un’allettante prova di principio ai tipi di esperimenti di fisica su scala quantistica che potrebbero essere possibili man mano che i computer quantistici continuano a migliorare.

Non è una cosa reale; non è nemmeno vicino ad una cosa reale; è a malapena una simulazione di qualcosa che non è vicino a qualcosa di reale“, ha scritto il fisico Matt Strassler sul suo blog. “Questo metodo potrebbe un giorno portare a una simulazione di un vero wormhole? Forse in un lontano futuro. Potrebbe portare alla creazione di un vero wormhole? Mai. Non fraintendetemi. Quello che hanno fatto è piuttosto interessante ma l’hype dei media è stato davvero esagerato.

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Quindi cos’è questa cosa che è stata  “creata” in un computer quantistico se non è un vero wormhole? Un analogo? Un modellino giocattolo? La coautrice Maria Spiropulu di Caltech l’ha definita un nuovo “protocollo di teletrasporto tramite wormhole ” durante il briefing. Potresti chiamarla una simulazione, ma come ha scritto Strassler, ma neanche questo è del tutto corretto.

I fisici hanno simulato wormhole su computer classici, ma in quelle simulazioni non viene creato alcun sistema fisico. Ecco perché gli autori preferiscono il termine “esperimento quantistico” perché sono stati in grado di usare il computer quantistico Sycamore di Google per creare un sistema quantistico altamente entangled ed effettuare misurazioni dirette di specifiche proprietà chiave. Queste proprietà sono coerenti con le descrizioni teoriche della dinamica di un wormhole attraversabile, ma solo in uno speciale modello teorico semplificato dello spaziotempo.

Lykken lo ha descritto al New York Times come “il wormhole più piccolo e scadente che puoi immaginare di realizzare“. Ma, forse, una “raccolta di atomi con determinate proprietà simili a wormhole” potrebbe essere una definizione più accurata.

Ciò che rende questa svolta così intrigante e potenzialmente significativa è il modo in cui l’esperimento attinge ad alcuni dei lavori recenti più influenti ed entusiasmanti della fisica teorica. Ma per capire esattamente cosa è stato fatto e perché è importante, dobbiamo intraprendere un viaggio un po’ tortuoso attraverso alcune idee astratte piuttosto inebrianti che abbracciano quasi un secolo.

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Diagramma della cosiddetta corrispondenza AdS/CFT (ovvero il principio olografico) in fisica teorica.
Ingrandisci / Diagramma della cosiddetta corrispondenza AdS/CFT (ovvero il principio olografico) in fisica teorica.
APS/Alan Spaccapietre

Rivisitazione del principio olografico

Cominciamo con quello che è popolarmente conosciuto come il principio olografico. Quasi 30 anni fa, i fisici teorici hanno introdotto questa teoria sconvolgente ipotizzando che il nostro universo tridimensionale sia in realtà un ologramma. Il principio olografico è nato negli anni ’90 come soluzione proposta al paradosso dell’informazione del buco nero.

I buchi neri, come descritti dalla relatività generale, sono oggetti semplici. Tutto ciò di cui hai bisogno per descriverli matematicamente è la loro massa e il loro spin, più la loro carica elettrica. Quindi non ci sarebbe alcun cambiamento evidente se gettassi qualcosa in un buco nero, niente che fornisca un indizio su cosa potrebbe essere stato quell’oggetto. Quelle informazioni sono perse.

Ma i problemi sorgono quando entra in scena la gravità quantistica perché le regole della meccanica quantistica sostengono che l’informazione non può mai essere distrutta. E nella meccanica quantistica, i buchi neri sono oggetti incredibilmente complessi e quindi dovrebbero contenere una grande quantità di informazioni. Jacob Bekenstein realizzò nel 1974 che anche i buchi neri hanno entropia. Stephen Hawking ha cercato di dimostrargli che si sbagliava, ma ha finito per dimostrargli che aveva ragione, concludendo che i buchi neri, quindi, dovevano produrre una sorta di radiazione termica.

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Quindi anche i buchi neri devono avere entropia, e Hawking è stato il primo a calcolare quell’entropia. Ha anche introdotto la nozione di “radiazione di Hawking“: il buco nero emette una piccola quantità di energia, diminuendo la sua massa di una quantità corrispondente. Nel tempo, il buco nero evaporerà. Più piccolo è il buco nero, più velocemente scompare. Ma cosa succede allora alle informazioni che conteneva? Vengono veramente perdute, violando così la meccanica quantistica, o sono in qualche modo preservate dalla radiazione di Hawking?

Secondo il principio olografico, le informazioni sull’interno di un buco nero potrebbero essere codificate sulla sua superficie bidimensionale (il “confine”) piuttosto che all’interno del suo volume tridimensionale (la “massa”). Leonard Susskind e Gerard ‘t Hooft hanno esteso questa nozione all’intero universo, paragonandolo a un ologramma: il nostro universo tridimensionale in tutta la sua gloria emerge da un “codice sorgente” bidimensionale.

Juan Maldacena ha poi scoperto una dualità cruciale, tecnicamente nota come corrispondenza AdS/CFT , che equivale a un dizionario matematico che consente ai fisici di andare avanti e indietro tra i linguaggi di due mondi teorici (la relatività generale e la meccanica quantistica). Nel caso di AdS/CFT, la dualità è tra un modello di spaziotempo noto come spazio anti-de Sitter (AdS), che ha una curvatura negativa costante, a differenza del nostro universo di de Sitter, e un sistema quantistico chiamato teoria del campo conforme (CFT), che manca di gravità ma ha entanglement quantistico.

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È questa nozione di dualità che spiega la confusione del wormhole. Come notato sopra, gli autori dell’articolo su Nature non hanno creato un wormhole fisico: hanno manipolato alcune particelle quantistiche entangled nel normale spaziotempo piatto e si ipotizza che quel sistema abbia una doppia descrizione come wormhole.

Collegamento di ER ed EPR

Torniamo per un momento agli albori della meccanica quantistica. Albert Einstein ha ideato un famoso esperimento mentale nel 1935 con Boris Podolsky e Nathan Rosen dimostrando l’assurdità di ciò che aveva soprannominato “azione spettrale a distanza“, nota anche come paradosso EPR. Ma nel 1935 scrisse anche un secondo articolo, meno noto, con Rosen, che dimostrava matematicamente che i buchi neri potevano presentarsi in coppia, collegati da scorciatoie attraverso lo spazio: la genesi di quelli che oggi chiamiamo wormhole, ma originariamente soprannominati “ponti di Einstein-Rosen“.

Nel 2013, Susskind e Maldacena fecero una proposta radicale per una nuova dualità, soprannominarono la congettura “ER = EPR” come soluzione al paradosso dell’informazione del buco nero. In sostanza, hanno sostenuto che i wormhole sono equivalenti all’entanglement. Forse quelli che pensiamo siano punti lontani nello spaziotempo non sono poi così lontani. Forse l’entanglement crea wormhole microscopici invisibili che collegano punti apparentemente distanti.

In questo scenario esiste un wormhole tra un buco nero e la sua radiazione di Hawking, anche se in una versione molto più complicata, con molti filamenti che terminano su ciascuno dei pezzi della radiazione di Hawking. Ciò preserva le informazioni. ER = EPR si basa sull’idea non ancora verificata che i wormhole siano la manifestazione geometrica dell’entanglement quantistico.

In altre parole, l’azione spettrale a distanza crea lo spaziotempo.

Nel 2017, Daniel Jafferis dell’Università di Harvard (un coautore dell’articolo su Nature), insieme a Ping Gao e Aron Wall, è riuscito a estendere ER = EPR ai wormhole attraversabili, dimostrando un’altra dualità: un wormhole attraversabile è duplice rispetto al teletrasporto quantistico, che trasferisce le informazioni attraverso lo spazio tramite entanglement. Solo due anni prima, un altro gruppo di fisici aveva dimostrato che la dinamica di un semplice sistema quantistico poteva essere equivalente agli effetti della gravità quantistica, suggerendo che sarebbe stato possibile testare questa dualità sui processori quantistici. È noto come il modello SYK (Sachdev-Ye-Kitaev).

Inserisci Sycamore di Google

Ok, quindi cosa c’entra tutto questo con il lavoro descritto nel nuovo articolo su Nature? In sostanza, i coautori hanno attinto a queste recenti scoperte, creando qualcosa di simile a un modello SYK “baby”, come struttura per il loro esperimento. Hai l’entanglement quantistico e il teletrasporto quantistico su un lato del loro sistema quantistico simile a SYK e le dinamiche gravitazionali sull’altro, con la dualità ER = EPR che collega insieme i due lati.

Il team ha creato uno stato entangled tra le due parti, ciascuna con sette fermioni di Majorana, più o meno analogo a un wormhole a t=0. Ci sono voluti sette qubit per codificarlo.

Successivamente, hanno evoluto il sistema all’indietro nel tempo, spostando le posizioni delle “bocche” sinistra e destra di quello che chiameremo “wormhole” per semplicità. Quindi hanno preso un qubit “di riferimento” e lo hanno entangled al massimo con un qubit “sonda”, portando il circuito totale a nove qubit. Il qubit della sonda è stato scambiato con uno dei qubit nella “bocca” sinistra, più o meno analogo a una particella che entra in una bocca di un wormhole. Quando il wormhole ha iniziato ad evolversi in avanti nel tempo, le informazioni trasportate dal qubit della sonda sono state rimescolate nell’intero sistema quantistico.

I fisici hanno usato un circuito di operazioni chiamate porte per aprire una scorciatoia in uno spazio immaginario tra qubit che rappresentano due buchi neri. Quindi, hanno inviato "messaggi" tra di loro.
Ingrandisci / I fisici hanno utilizzato un circuito di operazioni chiamato porte per aprire una scorciatoia in uno spazio immaginario tra qubit che rappresentano due buchi neri. Quindi, hanno inviato “messaggi” tra di loro.
Andrew Mueller/INQNET

Fin qui tutto bene. Successivamente, il team ha eseguito una serie di operazioni quantistiche sul dispositivo che equivalgono a un’interazione entangling. Sul lato gravitazionale del sistema, equivale a iniettare uno shock di energia negativa attraverso lo spaziotempo.

Questo è significativo perché è noto da tempo che i wormhole sono intrinsecamente instabili e collasserebbero se qualcosa tentasse di passare dall’altra parte. Avresti bisogno di una sorta di energia negativa per mantenerlo aperto abbastanza a lungo da raggiungere questo obiettivo. Non esiste energia negativa nella fisica classica, ma c’è nella meccanica quantistica, in particolare nelle coppie di particelle virtuali che emergono brevemente nel vuoto dello spazio e si annichilano quasi istantaneamente (questa energia del vuoto è il meccanismo alla base della radiazione di Hawking).

Certo, non esiste un modo noto per produrre o controllare abbastanza energia negativa per aprire un wormhole attraversabile su macroscala nella realtà, che è uno dei motivi per cui i wormhole rimangono saldamente nel regno della fantascienza. Ma sulla piccola scala di questo esperimento, il team ha prodotto ciò che equivale a un’onda d’urto di energia negativa che ha aperto il piccolo “wormhole” in modo che il qubit della sonda potesse attraversarlo; l’iniezione di un’onda d’urto di energia positiva lo chiuderebbe. Man mano che il “wormhole” continuava ad evolversi nel tempo, le informazioni criptate dal qubit della sonda venivano gradualmente trasferite alla “bocca” destra del sistema.

I ricercatori hanno confermato questo trasferimento di informazioni misurando la quantità di entanglement tra il qubit di riferimento e il qubit più a destra nella “bocca” destra. C’era molto più entanglement nello scenario dell’onda d’urto negativa che in quello positivo, indicando che le informazioni erano state trasferite tramite un meccanismo con una fisica simile a un wormhole attraversabile.

Un’anatra quantica incredibilmente piccola

Sembra un’anatra, cammina come un’anatra, starnazza come un’anatra“, ha detto Lykken. “Abbiamo qualcosa che, in termini di proprietà che abbiamo esaminato, sembra un wormhole [attraversabile]. Fondamentalmente c’è una porta che si apre per un po’ e poi si richiude. Il wormhole ha la sua scala temporale, e faresti meglio ad andare attraverso di essa al momento giusto“.

Jafferis pensa che ad Einstein sarebbe piaciuta molto la versione del team del teletrasporto del wormhole per lo stesso motivo per cui gli sceneggiatori di fantascienza amano usare i wormhole. Uno dei crucci del grande fisico riguardo al concetto di entanglement era che le informazioni sembravano essere trasmesse più velocemente della velocità della luce, violando la causalità. Il loro protocollo preserva la causalità; poiché il qubit prende una scorciatoia attraverso un wormhole, non viaggia più veloce della luce.

Altri fisici non coinvolti nella ricerca hanno reagito con cautela e una sana dose di scetticismo. “Se questo esperimento ha portato un wormhole nella reale esistenza fisica, allora si potrebbe sostenere con forza che chiunque porta un wormhole nella reale esistenza fisica ogni volta che ne disegna uno con carta e penna“, ha detto al New York Times Scott Aaronson dell’Università del Texas ad Austin.

Il fisico del MIT Daniel Harlow ha fatto eco a quel sentimento sottolineando quanto fosse semplificato (e quindi irrealistico) il modello sottostante della gravità quantistica utilizzato per l’esperimento. “Direi che questo non ci insegna nulla sulla gravità quantistica che non sapessimo già“, ha detto. “D’altra parte, penso che sia entusiasmante come risultato tecnico perché se non riusciamo nemmeno a farlo (e fino ad ora non ci siamo riusciti), la simulazione di teorie della gravità quantistica più interessanti sarebbe certamente fuori discussione”.

Gli autori hanno affermato che questo esperimento è solo il primo piccolo passo. In linea di principio, se avessero due computer quantistici alle estremità opposte della Terra, o in un laboratorio al Caltech e in un laboratorio ad Harvard, una versione migliorata di questa tecnologia dovrebbe essere in grado di trasmettere informazioni quantistiche da un’estremità all’altra.

E mentre i computer quantistici continuano a migliorare e gli scienziati possono fare esperimenti più dettagliati, la speranza è che saranno in grado di sondare l’interno dei loro pseudo-piccoli wormhole. “Ma non stiamo parlando solo dei wormhole qui“, ha detto Lykken. “Stiamo cercando di capire l’intero quadro di ciò che li rende possibili“.

DOI: Nature, 2022. 10.1038/s41586-022-05424-3.