Primera simulación con ordenador cuántico de un proceso de física de partículas

En el campo de la física teórica existen problemas que no tienen una solución matemática sencilla, y por tanto se resuelven haciendo un cálculo numérico con ordenadores, lo que permite alcanzar soluciones aproximadas.

Pero hay problemas que no se pueden afrontar de esta manera, y para los que es necesario utilizar otros métodos, sobre todo cuando no tenemos una forma directa de estudiarlos experimentalmente, como en el caso de las partículas elementales o subatómicas.

En estos casos se realizan simulaciones, es decir, se buscan sistemas que se puedan controlar con total precisión en laboratorio y que de alguna forma imiten o se comporten como el sistema que queremos estudiar (análogos).

Otra opción es crear una secuencia de operaciones en un sistema de laboratorio, que genere una dinámica equivalente al sistema de partida (simulación digital).

Simulaciones para resolver los misterios de las partículas

En el caso de la física de partículas, esta disciplina analiza los elementos constitutivos de la materia y sus interacciones; unas interacciones que están mediadas por lo que se denomina campos gauge (como el campo electromagnético o la interacción nuclear fuerte).

Pero, a día de hoy, aún existen muchas cuestiones en física de partículas que no se entienden o no han podido probarse. Por ejemplo, el confinamiento de unas partículas llamadas quarks (son, junto con los leptones, los constituyentes fundamentales de la materia), que tienen interacción fuerte entre ellas, lo que hace que no se puedan aislar individualmente sino que siempre se encuentren formando protones o neutrones.

En la actualidad, se cree que el reto del cálculo de la dinámica de esas interacciones entre partículas elementales podría resolverse mediante simulaciones.

Simulando sistemas cuánticos

El físico Rychard Feynman, sugirió que para simular un sistema cuántico (como el de los quarks), lo que se necesita es otro sistema cuántico.

Para hacerlo, se utilizarían sistemas que funcionan a modo de “ordenadores cuánticos” de pequeña escala, formados por unos pocos qubits, es decir, bits cuánticos. Los qubits están constituidos, al igual que los bits, por dos estados (1 y 0), pero toman valores continuos en lugar de discretos, y se pueden encontrar en estados de superposición, además de entrelazarse cuánticamente unos con otros.

Estos sistemas cuánticos suelen ser atómicos, formados por iones fríos que están atrapados en campos electromagnéticos y que se utilizan para simulaciones en muchas áreas de la física, desde materia condensada hasta efectos gravitatorios.

 En los últimos años, también el desarrollo de simulaciones para física de partículas es un área en crecimiento, aunque, hasta el día de hoy, sólo se postulaba de manera teórica.

Primera simulación de física de partículas
 
Pero, recientemente, investigadores de Innsbruck (Austria) han realizado la primera simulación experimental de un proceso de física de partículas. Este grupo de investigadores ha simulado la creación de pares de partículas y antipartículas en el vacío.

Para la realización de este experimento utilizaron un sistema cuántico compuesto de cuatro iones de calcio atrapados formando una cadena, y controlados por campos electromagnéticos.

Cada uno de estos iones constituía un qubit, cuyos correspondientes estados eran dos niveles de energía de los mismos. Estos estados representaban la presencia o ausencia de materia y se manipularon utilizando láseres.

Los iones realizaron así operaciones lógicas que simulaban la evolución temporal del sistema. Al observar dichos iones con una cámara digital, se puede ver si durante la evolución se han creado partículas o antipartículas, partiendo del vacío.

Resultados obtenidos

En el experimento realizado, los científicos observaron la creación de dos pares de partícula y antipartícula, algo que concuerda perfectamente con la teoría. Además, midieron el entrelazamiento entre partículas y antipartículas, y vieron así su relación con la creación de pares.

Este experimento demuestra la posibilidad de realizar simulaciones y la utilidad de estas técnicas. Constituye así el primer paso en esta disciplina, que permitirá entender algunos procesos físicos fundamentales, mucho más complicados que el realizado y que no pueden estudiarse con métodos clásicos ni con observación directa, como la mencionada interacción fuerte entre quarks.

En un futuro, la técnica podría ayudar a comprender qué sucede durante la colisión de dos núcleos atómicos a alta velocidad o el estado de la materia en el interior de las estrellas de neutrones. Aunque para ello sea necesario implementar simulaciones en sistemas mucho más complejos que una cadena de cuatro qubits, de momento lo logrado es un paso importante en esa dirección.

Referencia bibliográfica:

Martinez, E. A. et al. Particle physics: Quantum simulation of fundamental physics. Nature (2016). DOI: 10.1038/534480ª.