Investigadores de la UPV/EHU desarrollan simuladores cuánticos para el estudio de sistemas a escala microscópica

Una investigación de la UPV/EHU ha conseguido desarrollar simuladores de "gran precisión" que permiten describir procesos físicos a escala microscópica, que recrean el comportamiento de sistemas biológicos, cuánticos, e incluso de partículas en movimiento a la velocidad de la luz.

En un comunicado, la Universidad del País vasco (UPV/EHU) ha informado que el conocimiento "exacto" de estos sistemas dará lugar a diferentes aplicaciones que van desde la consecución de células fotovoltaicas "más eficientes" hasta fármacos "más específicos".

El grupo de investigación del Departamento de Química Física de la UPV/EHU trabaja en el diseño de varios de estos simuladores cuánticos para el estudio de la dinámica de sistemas físicos complejos.

Como ha recordado, la mecánica cuántica es la herramienta matemática que permite describir los procesos físicos que ocurren a escala microscópica, ya que es capaz de predecir "de forma satisfactoria" la estabilidad de átomos y moléculas, la reactividad de los diferentes compuestos químicos, o el resultado de la interacción entre radiación y materia.

Todas ellas son situaciones que constituyen la base de nuestro mundo físico y que no encuentran explicación dentro del marco de la física clásica.

"Los procesos físicos que ocurren a nivel cuántico obedecen a modelos matemáticos tan sofisticados que no pueden ser analizados mediante los ordenadores actuales, debido a las limitaciones computacionales de éstos", ha explicado el doctor Jorge Casanova, investigador del Departamento de Química Física de la UPV/EHU.

Una posible solución al problema de la complejidad computacional de los sistemas físicos consiste en utilizar una plataforma o tecnología cuántica como simulador. Los simuladores cuánticos son sistemas capaces de reproducir la dinámica de un sistema físico determinado, superando la limitación de los ordenadores convencionales.

Entre las diferentes tecnologías a estudiar para el desarrollo de simuladores cuánticos eficientes, este grupo de investigación de la UPV/EHU se ha centrado en la tecnología de iones atrapados.

"Esencialmente, el funcionamiento de estos sistemas consiste en aislar átomos individuales en un entorno controlado, de forma que no exista ninguna interferencia con el entorno. Posteriormente, se incide en ellos mediante láseres, y se consigue realizar operaciones, como excitar o desexcitar los electrones de esos átomos. De esta forma, se les hace comportarse como el sistema que queremos estudiar", ha detallado Casanova, autor principal del trabajo.

Basándose en esta tecnología de iones atrapados, Casanova y sus colaboradores han diseñado varios protocolos para el desarrollo de simulaciones cuánticas controladas. En el transcurso de la investigación, el equipo de la UPV/EHU ha diseñado protocolos de simulación cuántica para varias situaciones físicas. El primero fue un simulador de sistemas relativistas, es decir, de partículas que se mueven a velocidades cercanas a la de la luz.

El experimento planteado por este grupo del Departamento de Química Física se llevó a cabo en Austria, "y tuvo bastante repercusión internacional, porque, hasta el momento, este ha sido el experimento en el que se ha conseguido el mayor nivel de control cuántico sobre los estados de movimiento iónicos a nivel mundial".

Como ha explicado Casanova, "toda la industria farmacéutica, la industria química y de materiales, e incluso la energética busca diseñar moléculas que sean más eficientes para una determinada función" y ha puesto como ejemplo las células fotovoltaicas que se utilizan para captar la energía solar, que actualmente solo atrapan el 20 por ciento de la energía que les llega.

"Un modelo de moléculas más eficientes en la captura de energía solar incrementaría el aprovechamiento energético de esas células fotovoltaicas. Para eso debes ser capaz de diseñar moléculas, y saber cómo se van a comportar", ha señalado.

MOLÉCULAS ESPECÍFICAS

Por ultimo, ha asegurado que "en un periodo de unos cinco a diez años seremos capaces de diseñar moléculas específicas para determinados procesos, como la captura de energía solar, o incluso para diseñar materiales y medicamentos". "En el momento en que seamos capaces de entender sistemas complejos, seremos capaces de predecir su comportamiento, y de diseñar nueva tecnología basada en ese conocimiento", ha concluido. Información complementaria:

El estudio ha sido realizado en el marco de la tesis doctoral de Jorge Casanova Marcos, bajo la dirección de Enrique Solano, profesor Ikerbasque en el Departamento de Química Física de la UPV/EHU. Los procedimientos experimentales de los protocolos de simulación cuántica desarrollados por el grupo de investigación se han llevado a cabo en laboratorios europeos con los que el Departamento de Química Física de la UPV/EHU mantiene colaboración.

Entre los colaboradores internacionales más cercanos cabe destacar los grupos de investigación de la Universidad de Harvard (EEUU), la Universidad de Innsbruck (Austria), el Instituto Walther-Meissner (Alemania), la Universidad de Tsinghua (China), y de la Universidad de Queensland (Australia).