La cuestión de la naturaleza cuántica de la gravedad sigue siendo una de las más candentes de la física fundamental. La teoría cuántica de campos efectiva para la gravedad funciona bien en campos débiles, pero su aplicabilidad a campos intensos, por ejemplo cerca de los agujeros negros, sigue siendo discutible. El trabajo se inscribe en la línea de investigaciones que, mediante experimentos mentales, ponen de manifiesto los requisitos lógicos de la cuantización de la gravedad. Hay trabajos afines que estudian las fluctuaciones cuánticas de las ondas gravitacionales, la decoherencia gravitacional y los límites cuánticos de las mediciones, pero este artículo es el primero que traslada esos argumentos al caso de campos intensos.
Los autores modifican el experimento mental de Belenchia y sus colaboradores. Alicia prepara un sistema binario de masas en una superposición de dos orientaciones, creando así un campo de marea. Bob, en lugar de una partícula de prueba, utiliza un agujero negro en rotación que, en el límite newtoniano, se comporta como un objeto cuadrupolar extenso. El movimiento del agujero negro bajo la acción del campo de marea de Alicia genera ondas gravitacionales. Bob mide esas ondas e intenta obtener información sobre el estado de Alicia. El paso clave es tener en cuenta las fluctuaciones cuánticas de la radiación gravitacional en el marco de la teoría de campos efectiva.
Se establece que las fluctuaciones cuánticas de las ondas gravitacionales emitidas por el agujero negro en movimiento impiden que Bob distinga los estados de Alicia a una distancia de tipo espacial. La función de decoherencia, que caracteriza el solapamiento de los estados coherentes de las ondas gravitacionales, está acotada superiormente por una magnitud que tiende a cero cuando se cumplen las condiciones de separación de tipo espacial y de preparación lenta de la superposición. Esto significa que ninguna información se transmite más rápido que la luz y que el principio de complementariedad no se viola. Por consiguiente, la cuantización de la radiación gravitacional es necesaria para la coherencia entre la mecánica cuántica y la teoría general de la relatividad incluso en campos intensos.
El trabajo extiende los argumentos sobre la inevitabilidad de la cuantización de la gravedad al régimen de campos intensos. A diferencia de investigaciones anteriores, que usaban partículas de prueba o campos gravitacionales débiles, aquí actúa como detector un agujero negro en rotación, un objeto con gravedad intensa. Es el primer paso para demostrar que los efectos cuánticos de la radiación gravitacional deben manifestarse también en fuentes astrofísicas, como los agujeros negros que se fusionan.
El tema puede desarrollarse hacia el estudio de los estados cuánticos de las ondas gravitacionales procedentes de fuentes astrofísicas realistas. En particular, las no linealidades en las oscilaciones de los agujeros negros (modos cuasinormales) podrían dar lugar a estados no clásicos de la radiación, como estados comprimidos o entrelazamiento. Esto abre el camino a la búsqueda de firmas cuánticas en los datos de ondas gravitacionales.
Los resultados influirán en la física fundamental, la astronomía de ondas gravitacionales y la teoría cuántica de la información.
El siguiente paso podría ser la estimación cuantitativa de las correcciones cuánticas a las ondas gravitacionales de los agujeros negros y el desarrollo de métodos para detectarlas.
El trabajo está directamente relacionado con el problema de la cuantización de la gravedad y con la cuestión de si los efectos cuánticos se manifiestan en campos gravitacionales intensos. También aborda el problema de la decoherencia en presencia de horizontes de sucesos.
En el experimento mental aparecen observadores llamados Alicia y Bob, los personajes tradicionales de la criptografía cuántica y la teoría de la información.
La idea de usar agujeros negros como detectores de estados cuánticos conecta con la novela de Liu Cixin «El problema de los tres cuerpos», donde las ondas gravitacionales se emplean para la comunicación superlumínica.