Os pesquisadores do Google estão descobrindo como estudar alguns dos fenômenos físicos mais estranhos teorizados, como buracos de minhoca que ligam pares de buracos negros, usando experimentos em laboratório.

Uma questão central que impulsiona a física teórica hoje é como usar a mesma teoria para explicar a gravidade e as regras que os átomos seguem, chamadas de mecânica quântica. Elas ainda não foram muito exploradas, já que a gravidade é uma força incrivelmente fraca, portanto, sondá-la nas menores escalas é efetivamente impossível com a tecnologia atual. Mas o trabalho teórico demonstrou que indícios dessa “gravidade quântica” podem surgir em certos sistemas quânticos, que um dia seria possível criar em laboratório. Um desses experimentos, proposto pelos físicos do Google, postula que um estado quântico reproduzível no laboratório de física pode ser explicado como informação que viaja através de um buraco de minhoca entre dois buracos negros.

“O estudo experimental de tais situações, portanto, oferece um caminho para um entendimento mais profundo da gravidade quântica”, escrevem os autores no artigo publicado no arXiv.

Parece que a gravidade simplesmente se recusa a cooperar com a mecânica quântica, e os teóricos trabalharam duro para unir os dois – ainda há lugares em que ambos os conceitos devem existir simultaneamente, como na superfície ou dentro de buracos negros e no momento do Big Bang. Uma das teorias mais populares que ligam as duas é a teoria das cordas, que substitui partículas subatômicas por minúsculas cordas vibrando em um espaço de maior dimensão. A teoria das cordas existe em escalas muito menores do que as que podem ser investigadas com aceleradores de partículas, dificultando o teste.

No entanto, uma conjectura de duas décadas chamada correspondência AdS/CFT diz essencialmente que você pode entender a gravidade dimensional superior neste mundo de dimensões superiores como se fosse um holograma produzido por partículas mecânicas quânticas. Então, uma equipe de físicos do Google, bem como da CalTech, da Universidade de Maryland e da Universidade de Amsterdã acham que estudar comportamentos quânticos extremos pode fornecer evidências mais fortes da existência da teoria das cordas. Talvez os computadores quânticos possam produzir comportamentos que possam ser estudados da teoria das cordas – ou fenômenos semelhantes a buracos de minhoca.

Entre os avanços físicos mais importantes dessas décadas, está o desenvolvimento de máquinas que controlam e manipulam estados quânticos, o que chamamos de computadores quânticos e simuladores quânticos. Os objetos menores, como elétrons que orbitam átomos, só podem assumir certos valores de propriedades, mas quando você não está olhando para eles, eles podem ter valores diferentes simultaneamente (até você os medir, pelo menos, quando eles voltam a ter apenas um valor). Duas ou mais partículas também podem emaranhar, o que significa que elas e suas propriedades devem ser descritas como um único objeto matemático, mesmo se você separar os átomos no espaço.

A proposta do Google sugere criar um circuito com dois conjuntos de qubits conectados, os “átomos” artificiais do computador quântico, e dividi-lo em um grupo esquerdo e direito. Pulsos de energia inserida fazem o equivalente matemático de evoluir o estado dos qubits para trás no tempo, enquanto outro pulso é usado para codificar uma “mensagem” alterando os estados quânticos dos átomos da esquerda de uma maneira específica. Outro pulso, então, desempenha o papel de acelerar o comportamento dos qubits. Crucial para a analogia do buraco negro, isso embaralha a mensagem entre os qubits de maneira matematicamente semelhante à maneira como as informações sobre as propriedades de uma partícula são embaralhadas e potencialmente perdidas ao entrar em um buraco negro. Uma vez que as informações são embaralhadas, cada qubit à esquerda é emaranhado com seu qubit de imagem espelhada à direita. Finalmente, depois de algum tempo, a mensagem misteriosamente reaparece nos qubits à direita, sem exigir decodificação.

“Não é óbvio, de maneira alguma, como a mensagem chegou [ao outro lado do sistema], e o fato mais surpreendente é que a explicação mais simples está na física dos buracos negros”, escrevem os autores no artigo. Essencialmente, os pesquisadores pensam que a informação que viaja entre grupos de qubits no sistema é análoga a uma mensagem que entra em um buraco negro, viaja através de um buraco de minhoca e surge fora de um segundo buraco negro. Os pesquisadores então introduziram uma estrutura matemática para entender o que está acontecendo e como isso serve como uma analogia a um buraco de minhoca atravessável que não entra em colapso.

De acordo com o artigo, existem possíveis configurações em que esse sistema pode ser realizado. Uma configuração consiste em matrizes de elétrons de átomos que estão no estado “Rydberg” de energia mais baixa ou muito alta, controlado por pulsos de laser. Outra é feita a partir de matrizes de íons carregados presos. Uma delas poderá, um dia, ser capaz de realizar o experimento proposto pelo Google.

Basicamente, os cientistas pensam que podem fazer um computador quântico agir matematicamente semelhante à informação que passa entre dois buracos negros através de um buraco de minhoca. Nenhum buraco de minhoca será criado aqui na Terra. Este é apenas um modelo, e como outros sistemas análogos, apenas porque a descrição matemática de um experimento de laboratório se parece com a teoria de alguém que descreve o espaço, isso não significa que a teoria está automaticamente correta. Esses modelos são apenas uma maneira de produzir evidências matemáticas mais fortes de que uma teoria pode estar correta. Nenhum dos pesquisadores nem o Google responderam ao pedido de comentário do Gizmodo; atualizaremos a postagem se recebermos resposta.

Este trabalho baseia-se em pesquisas sobre embaralhamento de informações quânticas ao longo do tempo, bem como conexões entre esse embaralhamento e buracos negros. Mas, alguns físicos já estão muito animados. Na semana passada, dezenas de físicos se reuniram em uma conferência do Google X para discutir como a tecnologia quântica poderia ser útil para pesquisadores de gravidade quântica. “Foi um momento incrível ouvir sobre esse experimento”, disse Guillaume Verdon, residente quântico do X, fundado pelo Google, que não estava envolvido neste trabalho, ao Gizmodo. Estudar a gravidade quântica “foi o sonho que me levou à computação quântica”.

Computadores quânticos que podem criar esses estados de qubit que simulam buracos de minhoca descritos no artigo estão no horizonte, disse Christopher Groe, professor de física da Universidade de Maryland que orientou essa pesquisa, ao Gizmodo. Ele espera que o computador quântico de íons presos no qual seu grupo está trabalhando possa em breve servir como uma plataforma para criar os estados quânticos necessários para testar essas ideias. “Estudos como este estão nos motivando e nos dando um empurrão nos laboratórios de universidades, de empresas e de governos para construir essas coisas”.