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  • Investigación y Ciencia
  • Diciembre 2016Nº 483
Panorama

Física cuántica

Simulación cuántica de procesos en física de partículas

La primera recreación de las leyes de la electrodinámica en un computador cuántico consigue reproducir la generación espontánea de materia y antimateria a partir del vacío.

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La física de partículas elementales entraña aún todo tipo de secretos. Para revelarlos, son bien conocidos los experimentos realizados en gigantescos aceleradores de partículas, como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, cerca de Ginebra. Una estrategia complementaria consiste en simular los procesos de física de partículas en un ordenador. Sin embargo, esta técnica se enfrenta a menudo a una seria dificultad: la capacidad de procesamiento necesaria para dar cuenta de algunos fenómenos fundamentales excede con mucho las posibilidades de las mejores computadoras.

En un experimento reciente cuyos resultados aparecieron publicados hace unos meses en la revista Nature, hemos dado un primer paso hacia lo que promete convertirse en un fecundo camino de exploración adicional: la simulación de procesos de física de partículas en un ordenador cuántico. En un futuro, esta técnica permitirá estudiar la evolución en tiempo real de sistemas de partículas, investigarlos con un nivel de detalle imposible de alcanzar en un acelerador y abordar problemas que hoy resultan intratables con los ordenadores tradicionales.

Nuestro trabajo surgió de una estrecha colaboración entre el grupo de Peter Zoller, del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica (IQOQI) en Innsbruck, donde se concibió la simulación, y el de Rainer Blatt, del Instituto de Física Experimental de la Universidad de Innsbruck, el cual cuenta con una larga trayectoria en el campo de la simulación cuántica y que fue donde se llevó a cabo el experimento. Junto con Christine A. Muschik, del IQOQI, ideamos una técnica para simular una versión simplificada de la electrodinámica cuántica mediante un conjunto de cuatro iones controlados por láseres. Nuestros resultados reproducen las predicciones teóricas y abren la puerta a diseñar simulaciones cuánticas más complejas en el futuro.

Física de partículas en un ordenador
La descripción más profunda de la naturaleza a nivel microscópico nos la proporciona el modelo estándar de las partículas elementales. Esta teoría incluye tres de las cuatro interacciones fundamentales conocidas en la naturaleza: la electrodinámica cuántica, que dicta el comportamiento de las partículas con carga eléctrica; la interacción débil, responsable de las desintegraciones nucleares; y la cromodinámica cuántica, que describe la dinámica de los quarks. Las ecuaciones fundamentales que rigen estas interacciones se conocen con exactitud desde hace décadas. Sin embargo, muy a menudo resultan imposibles de resolver por medios analíticos, lo que obliga a los físicos a recurrir a simulaciones numéricas.

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