Una investigación revolucionaria demuestra que es factible valerse de la mecánica cuántica para llevar a cabo experimentos en áreas hasta ahora insondables de la física de altas energías e incluso sobre el Big Bang, la colosal “explosión” con la que nació el universo.
El enfoque ideado por el equipo internacional de Christopher Monroe, de la Universidad Duke, y Arinjoy De, en la misma universidad y ahora en la empresa QuEra Computing Inc., de Estados Unidos ambas entidades, se basa en el uso de un simulador cuántico.
En las pruebas realizadas, Monroe, De y sus colegas han constatado que mediante computadoras cuánticas de iones atrapados es posible comenzar a explorar cuestiones fundamentales sobre el universo que hasta ahora eran insondables a efectos prácticos. El experimento emula un fenómeno llamado ruptura de cuerdas, en el que dos componentes fundamentales de la materia, conectados entre sí, se separan estirándose hasta generar tanta energía que surgen nuevas partículas cuando la conexión se rompe.
“Las simulaciones en computadoras cuánticas ofrecen la mejor plataforma para investigar cuestiones complejas, como la formación de la materia, sin necesidad de haber presenciado el propio Big Bang”, destaca Monroe.
Los componentes fundamentales de la materia, los quarks, solo existen cuando están unidos dentro de partículas como protones y neutrones. Son aproximadamente mil millones de veces más pequeños que un átomo y, con el actual nivel tecnológico, no pueden observarse directamente. Podemos imaginar a los pares de quarks como dos partículas diminutas con carga eléctrica conectadas por una cuerda tensa.
Por acción de dicha cuerda, tienden a mantenerse unidos. Ello hace que se requiera una gran cantidad de energía para separarlos.
Sin embargo, una vez que se los separa a la fuerza, la energía acumulada en su conexión puede bastar para crear más partículas cargadas, dado que la masa y la energía están directamente relacionadas mediante la famosa ecuación de Einstein, E=mc². Cuando la cuerda se rompe, se produce dicha separación y la energía liberada da lugar a dos o más pares de partículas en vez de uno solo. No obstante, este proceso exige tanta energía que solo puede suceder en ambientes extremos, como dentro del LHC (Large Hadron Collider, o Gran Colisionador de Hadrones) del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN) o bajo las condiciones que reinaban en el universo poco después del Big Bang.
En este nuevo estudio, el equipo logró observar una dinámica análoga a la ruptura de cuerdas utilizando una plataforma cuántica de iones atrapados. Los simuladores cuánticos, gracias a su alto grado de controlabilidad, pueden programarse para recrear procesos del mundo real que ocurren a escalas cuánticas atómicas o incluso subatómicas.
Para llevar a cabo la simulación, el equipo codificó un modelo de ruptura de cuerdas en una cadena de 13 iones atrapados. Mediante el uso de haces láser controlados con precisión, los investigadores pudieron ajustar las interacciones entre los iones. Estas interacciones controlan eficazmente la energía del sistema, emulando así el estiramiento y la eventual ruptura de una cuerda.
Al preparar el sistema en un estado fuera del equilibrio y seguir su evolución a lo largo del tiempo, los investigadores observaron la aparición de cargas efectivas y reconstruyeron la dinámica resultante de la cuerda.
El equipo también simuló el proceso en un ordenador clásico y confirmó que los resultados experimentales obtenidos mediante computación cuántica eran precisos. Sin embargo, a medida que crezca el nivel de complejidad en futuros experimentos, solo las computadoras cuánticas, no las clásicas, podrán ejecutar estas operaciones y obtener los resultados.
Monroe, De y sus colegas exponen los detalles de su investigación en la revista académica Nature Physics, bajo el título “String-breaking dynamics in a quantum simulator”.
