Un avance en computación cuántica simula la creación de partículas en el universo primitivo

Investigadores del Duke Quantum Center (DQC) lograron simular dinámicas de ruptura de cuerdas relacionadas con la formación de partículas y antipartículas, lo que representa una de las primeras demostraciones de este tipo en la física cuántica.

La investigación, publicada el 23 de septiembre en Nature Physics, reveló cómo los computadores cuánticos de iones atrapados podrían convertirse en herramientas poderosas para explorar preguntas fundamentales en física. El experimento simuló un proceso conocido como ruptura de cuerdas, en el que dos bloques de materia conectados se separan hasta que se acumula suficiente energía para que nuevas partículas "aparezcan" cuando la conexión se rompe.

El profesor Christopher Monroe, quien lideró el estudio, afirmó: "Las simulaciones de computadoras cuánticas proporcionan la mejor plataforma para investigar preguntas complejas como la formación de materia, a falta de haber presenciado el Big Bang". Este hallazgo señala un avance significativo en el campo de la ciencia cuántica y abre nuevas vías para entender las dinámicas de ruptura de cuerdas.

El estudio fue realizado por una colaboración internacional que incluyó a investigadores de la Universidad de Maryland, Universidad de Oxford, California Institute of Technology, Cornell University y KU Leuven. Los resultados se publicaron junto a otros dos estudios recientes de equipos distintos que reprodujeron física similar utilizando diferentes tipos de hardware cuántico.

Por qué los quarks no pueden ser separados fácilmente

Los quarks son algunos de los bloques de construcción más fundamentales de la materia. Se encuentran dentro de partículas como protones y neutrones y son aproximadamente mil millones de veces más pequeños que un átomo. Actualmente, los científicos no pueden observar quarks aislados directamente, ya que normalmente permanecen fuertemente unidos.

Una forma de visualizar esto es imaginar dos partículas cargadas diminutas conectadas por una cuerda tensa. Cuanto más se separan, más energía se almacena en la conexión entre ellas.

Eventualmente, se puede acumular suficiente energía para crear partículas cargadas adicionales. Esto es posible porque la masa y la energía están relacionadas a través de la famosa ecuación de Einstein E=mc². En lugar de terminar con un par separado, la conexión original se rompe y se forman nuevos pares de partículas.

Este tipo de procesos requieren enormes cantidades de energía y normalmente ocurren solo bajo condiciones extremas, como las que se generan dentro del Gran Colisionador de Hadrones o las que se cree que existieron poco después del Big Bang.

Recreando la ruptura de cuerdas en una máquina cuántica

En el nuevo experimento, el equipo liderado por Duke reprodujo comportamientos análogos de ruptura de cuerdas utilizando una plataforma cuántica de iones atrapados. Los simuladores cuánticos son especialmente útiles para este tipo de trabajo porque los investigadores pueden controlarlos con precisión y programarlos para imitar procesos físicos que ocurren a escalas atómicas y subatómicas.

El autor principal del artículo, Arinjoy De, exestudiante de doctorado en el laboratorio de Monroe y ahora líder de producción en QuEra Computing, expresó: "Trabajar en la intersección de la simulación cuántica y la física de altas energías es increíblemente emocionante". Al simular el confinamiento de quarks y fenómenos de ruptura de cuerdas en un entorno controlado de laboratorio, se abren nuevos caminos para investigaciones experimentales sobre el comportamiento de la materia a su nivel más fundamental.

Para construir la simulación, los investigadores codificaron un modelo de ruptura de cuerdas en una cadena de 13 iones atrapados. Se utilizaron haces de láser controlados cuidadosamente para ajustar cómo interactuaban los iones entre sí.

Esas interacciones permitieron al equipo controlar la energía del sistema de una manera que reprodujo el estiramiento y eventual ruptura de una cuerda de partículas.

Observando la evolución del sistema cuántico

Los investigadores prepararon el sistema en un estado fuera de equilibrio y luego siguieron cómo cambiaba con el tiempo. Esto les permitió detectar la aparición de cargas efectivas y reconstruir las dinámicas asociadas con el proceso simulado de ruptura de cuerdas.

Para verificar los resultados, el equipo también modeló el mismo proceso utilizando una computadora clásica. Los cálculos clásicos coincidieron con los resultados experimentales producidos por el simulador cuántico.

Para simulaciones a esta escala relativamente pequeña, las computadoras clásicas aún pueden realizar los cálculos. Sin embargo, los investigadores esperan que, a medida que los experimentos futuros se vuelvan más grandes y complicados, las computadoras cuánticas eventualmente puedan resolver versiones de estos problemas que las máquinas clásicas no pueden manejar.

Otros grupos de investigación han alcanzado hitos similares recientemente utilizando diferentes formas de hardware cuántico. Equipos liderados por Google y QuEra Computing recrearon modelos de ruptura de cuerdas relacionados utilizando circuitos superconductores y átomos neutros, respectivamente. Cada enfoque tiene sus propias fortalezas y limitaciones.

Monroe agregó: "Estas son las tres plataformas que lideran el camino en la computación cuántica, por lo que es un buen punto de referencia y comparación para la comunidad cuántica".

Hacia simulaciones más allá de los supercomputadores

Los resultados de iones atrapados representan otro paso hacia simulaciones cuánticas que son demasiado complejas incluso para los supercomputadores convencionales más potentes del mundo. Si los sistemas cuánticos continúan escalando, los investigadores podrían eventualmente utilizarlos para investigar preguntas que son difíciles o imposibles de reproducir directamente en el laboratorio, incluyendo cómo se comportó y evolucionó la materia poco después del Big Bang.

La profesora asociada de física en UMD, Zohreh Davoudi, quien formó parte del equipo de investigación, afirmó: "Como físico, es increíblemente emocionante investigar las condiciones del universo temprano en una máquina de computación a nivel atómico". Incluso las más mínimas percepciones de un modelo de física fuera de equilibrio nos guiarán en el futuro.

La investigación fue apoyada por el Departamento de Energía, la Fundación Nacional de Ciencias, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa y Amazon Web Services.