Las computadoras cuánticas están en el borde de revelar una nueva física de partículas

Las computadoras cuánticas comienzan a convertirse en herramientas poderosas para estudiar algunas de las fuerzas más fundamentales del universo, y algunas de las más complicadas de entender. Dos experimentos los han usado para allanar un nuevo camino hacia adelante para la física nuclear y de partículas.

“Tenemos este tipo de gran esquema en el que eventualmente queremos hacer computación cuántica para una física de alta energía”, dice Torsten Zache de la Universidad de Innsbruck en Austria. “Existe un fuerte consenso de que las computadoras cuánticas a gran escala en realidad podrán resolver problemas que de otro modo serán intratables”.

Él y sus colegas usaron una computadora cuántica para simular cómo las partículas excitadas, aquellas con mucha energía, se comportan en los campos cuánticos, una situación similar a las condiciones que experimentan en los aceleradores de partículas. Pedram Roushan en Google y sus colegas realizaron una simulación similar en una computadora cuántica diferente.

Si bien las computadoras convencionales generalmente solo pueden capturar instantáneas del comportamiento de partículas, las nuevas simulaciones muestran cómo se comportan con el tiempo, un poco como hacer una película.

Roushan dice que todo comienza con los campos cuánticos, que se extienden a través del espacio y ejercen fuerzas sobre partículas. Su equipo quería simular el campo electromagnético, pero había un desafío adicional de garantizar que el campo simulado no solo se aplique en todas partes, sino que también afectó correctamente a las partículas al acercar solo a unos pocos.

Los equipos de Roushan y Zache simularon una versión de esta estructura local basada en una simplificación del modelo estándar de física de partículas: nuestra mejor teoría sobre cómo se comportan todas las partículas y las fuerzas que actúan sobre ellas.

Zache y sus colegas usaron una computadora cuántica hecha de átomos extremadamente fríos controlados por láseres y pulsos electromagnéticos, que fue producido por la firma de computación cuántica Quera. El equipo de Roushan trabajó con la computadora cuántica de Sycamore de Google, que utiliza pequeños circuitos superconductores.

Ambos equipos simularon dos partículas en el campo cuántico que primero se limitaron a moverse en concierto, y luego se separaron el uno del otro. En ese escenario, las partículas se comportan como si estuvieran conectadas por una cadena de energía que vibra y finalmente se rompe. Dentro del modelo estándar, esta ruptura de cadenas es importante para los quarks, que constituyen los núcleos de los átomos y se mantienen unidos por la fuerte fuerza. También es clave para los pares de partículas de materia y antimateria.

Si bien las computadoras convencionales pueden simular con precisión este fenómeno en un caso en el tiempo, o cuando las energías son relativamente bajas, solo pueden capturar todo el proceso para sistemas muy pequeños. “Durante décadas, hemos estado prestando atención a la física estática, pero ¿qué pasa si quieres una situación dinámica? La visualizamos por primera vez”, dice Roushan.

Lo que vieron no contradice el modelo estándar y está en línea con simulaciones de computadora convencionales de última generación, pero usar solo una computadora cuántica ligeramente más grande empujaría este trabajo a un territorio desconocido, dice Jad Halimeh en la Universidad de Múnich en Alemania. Él dice que los nuevos experimentos traen las computadoras cuánticas “cuello y cuello” con las mejores computadoras tradicionales.

Anthony Ciavarella en el Laboratorio Nacional de Lawrence Berkeley en California dice que la ruptura de la cadena para los quarks es donde hay las preguntas teóricas más abiertas y, hace solo unos años, los investigadores apenas podían usar hardware de computación cuántica para simular el proceso.

Pero ahora, dice Halimeh, las computadoras cuánticas están programadas para ser “el jugador principal” para comprender lo que sucede en los corazones de las colidentes de partículas.

Cuando los iones muy enérgicos se rompen en un colider, producen duchas de partículas que golpean detectores: los datos son como los últimos cuadros de una película, y los físicos pueden usarlo para revertir la ingeniería de lo que sucedió en los cuadros antes. Pero las computadoras cuánticas podrían permitirnos comenzar con la colisión y comprender lo que sucede después, dice.

“Creo absolutamente en este (enfoque)”, dice Zache. “Eventualmente, creo que se convertirá en una herramienta que desempeñará un papel muy importante”.

Para llegar allí, los investigadores tendrán que ejecutar sus simulaciones en computadoras cuánticas más grandes y en tres en lugar de dos dimensiones espaciales. Roushan dice que su equipo está trabajando con las realidades y limitaciones de algunas de las mejores computadoras cuánticas existentes, y que no hay un truco de magia que pueda acelerar sus simulaciones, tanto el hardware como la forma en que las simulaciones están programadas deben seguir mejorando.

Pero por ahora, dice, simulaciones como estas también pueden ayudar a los investigadores a comprender la física de partículas menos extrema, como las formas en que las partículas excitadas se comportan en materiales cuánticos exóticos.