La vida en un holograma

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Dan Harlow pasa mucho tiempo pensando en un universo "boomerang".

El físico del MIT está buscando respuestas a una de las preguntas más importantes de la física moderna: ¿Cómo puede nuestro universo cumplir con dos libros de reglas incompatibles?

El primero, el modelo estándar de la física, es la teoría de la mecánica cuántica de partículas, campos y fuerzas, y las formas en que interactúan para construir el universo en el que vivimos. El segundo, la teoría de la relatividad general de Einstein, describe la influencia de la gravedad y cómo la fuerza fundamental une la materia para construir los planetas, las galaxias y otros objetos masivos.

Ambas teorías lo hacen notablemente bien en sus respectivos carriles. Sin embargo, la teoría de Einstein se derrumba cuando trata de describir cómo funciona la gravedad a escalas cuánticas, mientras que la mecánica cuántica hace predicciones que alteran la realidad cuando se aplica a dimensiones cósmicas masivas. Durante más de un siglo, los físicos han buscado formas de unir las dos teorías y llegar a la verdad de lo que hace que nuestro universo funcione.

Harlow sospecha que cualquier hilo conector puede ser demasiado delicado para entenderlo en nuestro universo existente. En cambio, está buscando respuestas en una versión de "boomerang", una realidad alternativa que se pliega sobre sí misma, como la trayectoria de un boomerang, en lugar de estirarse y expandirse sin fin como lo hace nuestro universo real. La gravedad cuántica en este universo boomerang resulta más fácil de entender, ya que puede reformularse en términos de la teoría cuántica convencional (sin gravedad) usando una poderosa idea llamada dualidad holográfica. Esto hace que sea mucho más simple de contemplar, al menos desde una perspectiva teórica.

En este ambiente de boomerang, Harlow ha hecho algunas revelaciones emocionantes e inesperadas. Ha demostrado, por ejemplo, que las ecuaciones que describen cómo se comporta la gravedad en este universo de "juguete" son las mismas ecuaciones que controlan los códigos de corrección de errores cuánticos que, con suerte, pronto se utilizarán para construir computadoras cuánticas del mundo real. Que las matemáticas que describen la gravedad tengan algo que ver con la protección de la información en las computadoras cuánticas fue una sorpresa en sí misma. El hecho de que ambos fenómenos compartieran la misma física, al menos en este universo alternativo, sugiere una conexión potencial entre la teoría de Einstein y la mecánica cuántica en el universo real.

El descubrimiento, que Harlow realizó como posdoctorado en la Universidad de Princeton en 2014, generó nuevas líneas de investigación en el estudio de la gravedad cuántica y la teoría de la información cuántica. Desde que se unió al MIT y al Centro de Física Teórica en 2017, Harlow ha continuado su búsqueda de conexiones fundamentales entre la relatividad general y la mecánica cuántica, y cómo pueden cruzarse en los contextos de los agujeros negros y la cosmología.

"Una de las cosas que ha sido divertida es que, aunque en física y más en ciencia en general todos estamos estudiando diferentes sistemas y experimentos, muchas de las ideas son las mismas", dice Harlow, profesor asociado que recibió la titularidad en 2022. "Entonces, trato de tener una mente abierta y mantener mis oídos abiertos, y ver cómo se pueden relacionar las cosas".

"Una filosofía humanista"

Nacido en Cincinnati, Harlow se mudó de niño con su familia a Boston, donde pasó varios años antes de que la familia se mudara nuevamente, echando raíces en Chicago. Cuando tenía 10 años, tomó lecciones de piano, centrándose primero en la música clásica y luego en el rock. En la secundaria, tocó el teclado en varias bandas antes de encontrar su ritmo en el estilo más relajado e improvisado del jazz.

"Me encanta sentarme y jugar con la gente, y ver a dónde irán las cosas", dice Harlow.

Su amor por el jazz fue en parte lo que lo atrajo a la ciudad de Nueva York después de la escuela secundaria, donde asistió a la Universidad de Columbia, que estaba cerca de algunos de los mejores clubes de jazz de la ciudad. El plan de estudios básico de la universidad, que requería que los estudiantes leyeran obras clásicas de literatura y filosofía, también resultó atractivo.

"No puedes graduarte de Columbia sin leer "La Ilíada", dice Harlow. "Eso te da una comunidad compartida de cosas de las que puedes hablar. Me gustó la filosofía humanista que impulsa el lugar. Incluso si eligiera ser físico, aún tendría esta experiencia cultural más amplia".

Harlow trabajó durante tres años como asistente de investigación de pregrado en un laboratorio de cosmología experimental en el campus, donde aprendió a trabajar en una sala limpia y a realizar simulaciones para mejorar el rendimiento de los filtros que fueron diseñados para detectar signos sutiles de radiación que quedaron de la Big Bang.

Harlow agradeció particularmente el enfoque general de la líder del laboratorio, Amber Miller, quien en ese entonces era miembro de la facultad junior.

"Tenía una gran forma de dirigir su grupo, donde no estaba tan obsesionada con las publicaciones o haciendo las cosas en un corto plazo", recuerda Harlow. "Ella solo nos dejaba jugar".

Preguntas abiertas

Esa libertad mental para explorar nuevas ideas permanecería con Harlow a lo largo de su carrera. Desde Columbia, se fue al oeste a la Universidad de Stanford en 2006. Dentro del departamento de física, descubrió que se alineaba más naturalmente con el profesor Leonard Susskind, físico teórico y líder en el estudio de la teoría de cuerdas.

"Su fuerte deseo de identificar las cosas que no son importantes y dejarlas de lado para poder concentrarse en la esencia del problema, esa fue también la forma en que trato de pensar", dice Harlow, quien terminó eligiendo a Susskind como su asesor. . "Lenny dijo, 'trabaja en lo que quieras, y te hablaré al respecto'".

Con esta invitación abierta, Harlow estuvo atento a las conversaciones dentro del grupo de Susskind para tener una idea de las grandes preguntas en el campo. Lo que escuchó fue un problema que daría forma al resto de su carrera de investigación: la cuestión de cómo conectar la mecánica cuántica con la relatividad general, en el contexto de la cosmología, y la comprensión de los científicos de la estructura a gran escala y la evolución del universo.

En busca de una respuesta, Harlow leyó todo lo que pudo encontrar sobre ambas teorías. Su lectura también se infiltró en la ciencia de la información cuántica, principalmente, un campo que se enfoca en aplicar los principios de la mecánica cuántica y la teoría de la información al estudio y desarrollo de las computadoras cuánticas.

"Cada vez que tengo una pista de que alguna herramienta será importante para un problema que estoy tratando de resolver, aprendo mucho más sobre ella de lo que creo que necesito", dice Harlow. "La mayoría de las veces, esa inversión vale la pena".

Al final de su tiempo en Stanford, Harlow decidió "dar un giro difícil", pasando de la cosmología a los agujeros negros, que consideraba un sistema más simple de estudiar para cualquier hilo fundamental que conectara la mecánica cuántica y la relatividad general.

En 2012, regresó al este de Princeton para realizar un posdoctorado de tres años, durante el cual comenzó a explorar el comportamiento cuántico de los agujeros negros gravitatorios. Para simplificar el problema, lo hizo en un universo "boomerang", lo que los físicos conocen como "espacio anti-de Sitter", llamado así por el físico que estudió la curvatura del universo. Cuando Harlow leyó más sobre la información cuántica, notó, y finalmente confirmó, una superposición inesperada en la física de la gravedad alrededor de los agujeros negros y los códigos de corrección de errores cuánticos diseñados para proteger la información.

"Ese fue un momento muy exploratorio y transformador", dice Harlow. "Todavía estoy explorando muchos de los caminos que comencé allí".

Después de un segundo posdoctorado en la Universidad de Harvard, Harlow se unió al MIT como miembro de la facultad junior en 2017, donde continúa haciendo conexiones sorprendentes en el estudio de la gravedad cuántica y la ciencia de la información cuántica. En el Instituto, y en el campo de la física teórica en general, ha disfrutado de un desprecio colegiado y productivo por la autoridad.

"Esta es una comunidad en la que puedo acercarme al físico teórico más famoso del mundo, decirles que están equivocados y, si tengo una discusión, me escucharán", dice Harlow. "La gente está abierta. Existe este acuerdo central compartido de que lo que importa es que encontremos la respuesta correcta. Importa menos quién la encuentra".

Entre los logros de Harlow desde que llegó al MIT se encuentran una prueba de que existen fuertes restricciones sobre las posibles simetrías de la gravedad cuántica, una comprensión más profunda de la naturaleza de la energía en los sistemas gravitacionales y un marco matemático concreto para comprender el interior de los agujeros negros mecánicos cuánticos.

Más allá de la investigación, Harlow está trabajando para traer voces y perspectivas más diversas al campo de la física. Además del trabajo de tutoría y defensa fuera del MIT, dirige un programa dentro del departamento de física que invita a estudiantes de entornos desfavorecidos y poco representados a realizar investigaciones de física en el MIT cada verano.

"Desafortunadamente, la física sigue siendo bastante blanca y masculina, y hacerla más acogedora y accesible para una porción más amplia de la humanidad es una de mis prioridades en el futuro", dice.

De cara al futuro, Harlow está considerando dar un nuevo giro en su camino de investigación, tal vez para centrarse menos en los agujeros negros en un universo de hologramas y más en la cosmología, la estructura cuántica y la evolución de nuestro universo real.

"He estado viviendo en el espacio anti-de Sitter durante mucho tiempo", dice Harlow. "Está bien, pero también quiero entender el mundo en el que vivimos. Y eso debería ser divertido".

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