Esta historia comienza en 1995, cuando inicié mi doctorado en física en el Imperial College de Londres. Quería medir un tipo particular de relación entre partículas en sistemas cuánticos, cuyo comportamiento se rige por la mecánica cuántica , la física de los componentes más pequeños del universo. Estas partículas cuánticas se entrelazan, lo que significa que están tan conectadas que, incluso cuando se encuentran en puntos distantes del espacio, medir las propiedades de un sistema también nos permite conocer las del otro sistema entrelazado.

Tras obtener mi doctorado, comprendí que el entrelazamiento cuántico no tiene por qué existir únicamente entre dos o más sistemas cuánticos. Este comportamiento también puede darse en un mismo objeto cuántico entre dos o más instantes de tiempo. Introduje este concepto y le di el nombre de «entrelazamiento en el tiempo», a diferencia del entrelazamiento en el espacio, que describe el entrelazamiento entre diferentes sistemas cuánticos o cómo se comparte la información cuántica entre ellos. Menos intuitiva resulta la idea del entrelazamiento en el tiempo, que describe cómo un objeto comparte información cuántica consigo mismo en un momento posterior.

En aquel momento, no imaginaba que mi trabajo conduciría más tarde a una posible unificación de la física cuántica y la gravedad , y que los agujeros negros podrían ofrecernos la evidencia más sólida de dicha unificación. En retrospectiva, esto no resulta sorprendente. Esto se debe a que nuestra mejor explicación actual del comportamiento de la gravedad se basa en la teoría de la relatividad general de Einstein, que nos dice que la gravedad consiste en ondulaciones en el espacio-tiempo. Una de sus predicciones más famosas es la existencia de agujeros negros, objetos tan masivos y compactos que sus fuerzas gravitatorias impiden que cualquier cosa que haya caído en ellos escape. Si una manzana, una pera o un rayo de luz caen en un agujero negro, el resultado siempre es el mismo: cualquier información sobre el origen o la composición de la materia que cae se borra.

Pero, ¿es eso realmente lo que sucede?

Esta pérdida de información dentro de los agujeros negros no encaja bien con nuestra otra teoría del universo, igualmente exitosa: la física cuántica , que exige que la información siempre se conserve. Dado que las leyes de la física cuántica son reversibles, ninguna información puede perderse jamás. Todo lo que ha ocurrido en una dirección puede, en principio, deshacerse. La luz puede convertirse en materia, como cuando los fotones estimulan la creación de un electrón y un positrón, pero el electrón y el positrón también pueden aniquilarse para devolvernos la luz.

Esta tensión entre la física cuántica y la relatividad general se cita con frecuencia como uno de los principales obstáculos para su unificación. De hecho, ¿cómo podemos unificar la teoría cuántica y la gravedad si, según una teoría, la información siempre se conserva, mientras que en la otra puede perderse en ocasiones? Esta unificación requiere que la gravedad adquiera características cuánticas; por ejemplo, que exista una superposición de dos intensidades gravitatorias diferentes en un mismo punto. Sin embargo, debido a la pérdida de información, parece que los agujeros negros podrían ser objetos cuánticos o gravitatorios, pero nunca ambos a la vez.

Stephen Hawking, creador del concepto de la paradoja de la pérdida de información en los agujeros negros, nos acercó posteriormente a su solución. Hawking demostró que los agujeros negros no son completamente negros. Deben irradiar según las leyes de la mecánica cuántica. Esto significa que también debe salir materia de un agujero negro, lo que finalmente conduce a su evaporación. Por lo tanto, los agujeros negros sí presentan características cuánticas, ya que todo lo que inicialmente cae en un agujero negro puede recuperarse una vez que este se haya evaporado por completo.

Pero, como suele ocurrir en física, la resolución de una paradoja inevitablemente da lugar a otra. Según los cálculos de Hawking, cuando la materia abandona un agujero negro, crea entrelazamiento cuántico entre su interior y su exterior. Cabe recordar que el entrelazamiento es el estado cuántico en el que dos objetos comparten su información de forma tan completa que imitan a la perfección el comportamiento del otro. Tras evaporarse la mitad de la materia, se alcanza un estado de máximo entrelazamiento entre el interior y el exterior del agujero negro.

Sin embargo, la lógica de Hawking sugiere que, a medida que la evaporación continúa más allá de este punto, debe crearse aún más entrelazamiento. Y esto plantea un problema para la física cuántica, ya que el entrelazamiento es «monógamo».

La monogamia del entrelazamiento es una propiedad fundamental de la información cuántica. Significa que cuando dos cosas (como el interior y el exterior de un agujero negro) están máximamente entrelazadas, no pueden entrelazarse con nada más. Por lo tanto, al tratar los agujeros negros desde una perspectiva cuántica para resolver la paradoja de la pérdida de información, en realidad hemos provocado que los agujeros negros violen esta propiedad.

Fue en este punto cuando me involucré con este problema, ya que el entrelazamiento cuántico es mi especialidad. Descubrí una propiedad clave del entrelazamiento temporal: a diferencia del entrelazamiento espacial, no tiene por qué ser monógamo. Esto me dio una idea para resolver la violación de la monogamia de los agujeros negros. Estaba muy entusiasmado porque esto podría finalmente llevarnos a la teoría de la gravedad cuántica. Los agujeros negros se evaporan creando pares de partículas entrelazadas, una de las cuales sale del agujero negro mientras que la otra cae en su interior. Ahora bien, en lo que respecta a la partícula en el interior, el espacio y el tiempo han intercambiado sus roles. Así como la partícula exterior debe evolucionar invariablemente hacia adelante en el tiempo, la partícula interior debe evolucionar invariablemente hacia adelante en el espacio, hacia el centro del agujero negro; esto es lo que nos dicen las ecuaciones de Einstein. Por lo tanto, la evaporación de un agujero negro podría considerarse como la conversión del entrelazamiento espacial en entrelazamiento temporal.

Ahora bien, sería fantástico poner a prueba esta idea con agujeros negros reales. Sin embargo, nuestra tecnología actual no nos permite hacerlo. Así que, tras varias conversaciones con mi colega Chiara Marletto, doctora en filosofía, pensamos que podríamos simular este proceso en el laboratorio. Contactamos con nuestro colega Marco Genovese, doctor en filosofía, un experto en fotones. Él crea habitualmente pares de fotones entrelazados y realiza diferentes tipos de procesamiento de información con ellos. Le sugerimos que creara un par de fotones entrelazados, pero que midiera uno de ellos dos veces en el tiempo. Esto equivale a tener un par de fotones entrelazados espacialmente y otro temporalmente. Y cuando Marco y su grupo probaron ambos entrelazamientos, descubrieron que ambos podían ser máximos. Esto corroboró el hecho de que el entrelazamiento temporal no tiene por qué ser monógamo. Y si las partículas en el laboratorio pueden violar la monogamia en el espacio y el tiempo, entonces quizás ocurra lo mismo en los agujeros negros.

Por el momento, nadie sabe si mi idea podría conducir a la solución definitiva de la paradoja de la pérdida de información. Es una posibilidad, pero no lo sabremos hasta que hayamos probado agujeros negros reales. Sin embargo, hay algo igualmente interesante que merece nuestra atención. Cuando dos partículas se entrelazan en el espacio, podemos enviar información de una a otra mediante el protocolo conocido como teletransportación cuántica. ¿Podría ser que la teletransportación cuántica también sea posible mediante el entrelazamiento temporal? Y, aún más fascinante, ¿podría el entrelazamiento temporal permitirnos enviar información del futuro al pasado?

https://www.popularmechanics.com/science/a73490119/oxford-physicist-could-finally-solve-quantum-gravity-mystery/