La computación cuántica puede describir los secretos del universo

Un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) utilizó la computación cuántica para simular con éxito un aspecto de las colisiones de partículas que normalmente se ignora en los experimentos de física de alta energía, como los que ocurren en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN.

Las colisiones de partículas son fundamentales porque sirven para estudiar los elementos que componen la materia de la que está hecha el Universo, incluidos nuestros cuerpos, y sus interacciones.

El algoritmo cuántico que desarrollaron los investigadores de Berkeley explica la complejidad de las cascadas de radiación, que se originan por las explosiones producidas durante las colisiones de partículas.

Esas explosiones involucran procesos de producción y desintegración de hadrones, y los algoritmos clásicos modelan las cascadas de radiación que se producen durante esos procesos, dominados por la interacción nuclear fuerte característica de esas partículas subatómicas.

Sin embargo, en un artículo publicado en la revista Physical Review Letters, los autores de esta investigación destacan que los algoritmos clásicos que modelan las cascadas de radiación pasan por alto algunos de los efectos cuánticos de estos procesos.

Para subsanar esta laguna, los investigadores de Berkeley desarrollaron un algoritmo cuántico capaz de interpretar las cascadas de radiación que se producen cuando colisionan los hadrones.

Galimatías cuántico

Galimatías cuántico Los hadrones son partículas elementales formadas por quarks (fermiones elementales masivos) que permanecen unidos debido a la interacción nuclear fuerte.

Hay dos tipos de hadrones, los bariones (neutrones y protones) y los mesones (como los piones, responsables de que existan los núcleos atómicos).

Todos están implicados en las colisiones de partículas, que han puesto de manifiesto una complejidad más: los protones y neutrones se comportan a veces como si estuvieran compuestos de «partes», por lo que a esas aparentes fracciones se les llama partones, subpartículas hipotéticas de protones y neutrones enlazadas entre sí de manera estable.

Lo que han conseguido estos investigadores es describir la lluvia de partículas que se produce con toda su complejidad durante las colisiones, teniendo en cuenta incluso los efectos cuánticos que ignoraban los algoritmos clásicos.

Para ello se han valido de un ordenador cuántico con suficientes recursos para penetrar en ese entresijo de partículas, colisiones y cascadas de radiación, según explica el investigador principal, Christian Bauer, en un comunicado.

Computación cuántica para jugar

Computación cuántica para jugar Para conseguirlo, este equipo ha combinado tanto la computación cuántica como la clásica: la solución cuántica solo se ha aplicado a la parte de las colisiones de partículas que no se pueden abordar con la computación clásica. Para las demás interacciones, se ha valido de la computación clásica.

El resultado se pudo obtener con una estrategia adicional, conocida en física como modelo de juguete, que simplifica lo complejo para entender lo esencial de los procesos básicos.

Esa teoría simplificada fue ejecutada hábilmente en un ordenador cuántico, donde la complejidad implícita puede ser analizada de una forma completamente nueva que permite abordar situaciones inaccesibles a la computación clásica.

Lo que aporta el ordenador cuántico es una computación basada en el entrelazamiento cuántico de la unidad básica de información, el cúbit, que en vez de constituir una unidad como en la computación clásica (bit), representa un sistema cuántico con dos estados simultáneos que puede ser manipulado con fines computacionales.

Esta capacidad tecnológica permite generar nuevos algoritmos que, en el caso de esta investigación, calculó todos los resultados posibles de las colisiones, teniendo en cuenta el estado de las partículas, el historial de emisiones de partículas, si se produjeron emisiones, y la cantidad de partículas producidas en la cascada de partones, incluidos recuentos separados para bosones y fermiones, los dos tipos básicos de las partículas elementales.

Resultado prometedor

Resultado prometedor El ordenador cuántico “calculó estas historias al mismo tiempo y resumió todas las historias posibles en cada etapa intermedia”, explica Bauer.

Eso permitió integrar en la descripción de las colisiones los efectos cuánticos que los algoritmos clásicos no podían contemplar, consiguiendo así un resultado significativo para profundizar en el conocimiento de las colisiones de partículas.

El resultado obtenido en esta investigación tiene sus limitaciones: los investigadores admiten que es probable que el “ruido” de la computación cuántica haya provocado diferencias en las descripciones, por lo que consideran que todavía pasará tiempo antes de que esta proeza tecnológica pueda tener un impacto significativo en la física de altas energías.

Cada vez más cerca

Cada vez más cerca Añaden que, a medida que mejore el hardware, será posible tener en cuenta más tipos de bosones y fermiones en el algoritmo cuántico, lo que mejorará su precisión.

En ese momento, este desarrollo deberá tener un impacto mucho mayor en la física de alta energía y encontrar aplicación en experimentos con colisionadores de iones pesados, que se utilizan en la investigación básica.

A pesar de las limitaciones que pueda mostrar todavía este resultado, se ha puesto de manifiesto una vez más que la computación cuántica sigue acercándose aceleradamente al campo de las aplicaciones prácticas.

Referencia

Quantum Algorithm for High Energy Physics Simulations. Benjamin Nachman et al. Phys. Rev. Lett. 126, 062001. 10 February 2021. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.062001

Foto: Una ilustración de colisión de partículas en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN muestra una lluvia de partículas (líneas naranjas) que emanan de la colisión de protones y la lectura del detector (cuadrados y rectángulos). (Crédito: colaboración ATLAS).