Científicos realizan una simulación experimental cuántica de fenómenos de la física de partículas

Las partículas elementales son los bloques de construcción fundamentales de la materia y sus propiedades se describen por el Modelo Estándar de la Física de Partículas. El descubrimiento del bosón de Higgs en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) en 2012 constituye un paso más hacia la confirmación del modelo estándar.

Sin embargo, muchos aspectos de esta teoría todavía no se entienden porque su complejidad hace que sea difícil investigar con los ordenadores clásicos. Los ordenadores cuánticos pueden proporcionar una manera de superar este obstáculo, ya que pueden simular ciertos aspectos de la física de partículas elementales en un sistema cuántico bien controlado.

"Los procesos dinámicos, por ejemplo, la colisión de las partículas elementales o la creación espontánea de pares partícula-antipartícula, son extremadamente difíciles de investigar --explica Christine Muschik, física teórica en la IQOQI--. Sin embargo, los científicos alcanzan rápidamente un límite en el tratamiento de cálculos numéricos en los equipos clásicos. Por esta razón, se ha propuesto simular estos procesos mediante el uso de un sistema cuántico programable". En los últimos años, se han propuesto muchos conceptos interesantes, pero hasta ahora era imposible realizarlos. "Ahora, hemos desarrollado un nuevo concepto que permite simular la creación espontánea de pares electrón-positrón a partir del vacío mediante el uso de un ordenador cuántico", dice Muschik. El sistema cuántico consta de cuatro iones de calcio electromagnéticamente atrapados que son controladas por impulsos de láser.

"Cada par de iones representan un par de una partícula y una antipartícula --explica el físico experimental Esteban A. Martínez--. Utilizamos pulsos de láser para simular el campo electromagnético en el vacío. Entonces fuimos capaces de observar la forma en la que pares de partículas son creadas por fluctuaciones cuánticas de la energía de este campo. Al observar la fluorescencia del ión, vimos si se crearon partículas y antipartículas. Somos capaces de modificar los parámetros del sistema cuántico, lo que nos permite observar y estudiar el proceso dinámico de creación de pares".

UN PUENTE ENTRE DOS CAMPOS DE LA FÍSICA

Con este experimento, los físicos en Innsbruck han construido un puente entre dos campos diferentes de la física: han usado experimentos de física atómica para estudiar cuestiones de física de alta energía. Aunque cientos de físicos teóricos trabajan en teorías de gran complejidad del modelo estándar y realizan experimentos en instalaciones extremadamente costosas, como el Gran Colisionador de Hadrones en el CERN, pequeños equipos pueden hacer simulaciones cuánticas en experimentos de mesa.

"Estos dos enfoques se complementan perfectamente -dice el físico teórico Peter Zoller--. No podemos substituir los experimentos que se realizan con los colisionadores de partículas. Sin embargo, mediante el desarrollo de simuladores cuánticos, podremos ser capaces de entender mejor estos experimentos un día".

El físico experimental Rainer Blatt agrega: "Por otra parte, podemos estudiar nuevos procesos mediante el uso de la simulación cuántica. Por ejemplo, en nuestro experimento también investigamos el entrelazamiento de partículas producidas durante la creación de pares, lo cual no es posible en un acelerador de partículas". Los físicos están convencidos de que los futuros simuladores cuánticos serán potencialmente capaces de resolver cuestiones importantes sobre la física de alta energía que no pueden ser abordados por métodos convencionales.

"Este enfoque es conceptualmente muy diferente de anteriores experimentos de simulación cuántica que estudian la física de muchos cuerpos o la química cuántica. La simulación de los procesos de partículas elementales es teóricamente muy compleja y, por lo tanto, tiene que satisfacer requisitos muy específicos. Por esta razón es difícil desarrollar un protocolo adecuado", subraya Zoller.