La mecánica cuántica sugiere que el espacio aparentemente vacío está en realidad lleno de partículas fantasmales que están fluctuando dentro y fuera de la existencia.
Los investigadores simularon la creación de pares de partículas elementales a partir del vacío mediante el uso de una computadora cuántica . Crédito: IQOQI / Harald Ritsch
Y ahora, los científicos por primera vez tienen una máquina avanzada conocida como computadora cuántica que hace simular estas partículas virtuales. Esta investigación podría ayudar a arrojar luz sobre aspectos actualmente ocultos del universo, de los corazones de las estrellas de neutrones a los primeros momentos del universo después del Big Bang, dijeron los investigadores.
La mecánica cuántica sugiere que el universo es un lugar difuso, surrealista en sus niveles más pequeños. Por ejemplo, los átomos y otras partículas pueden existir en estados de flujo conocidos como superposiciones, donde pueden parecer cada giro en direcciones opuestas al mismo tiempo, y pueden también enredarse - lo que significa que pueden influir en los demás de forma instantánea, no importa lo lejos que están separadas .
La mecánica cuántica también sugiere que los pares de partículas virtuales, cada uno compuesto de una partícula y su antipartícula, pueden pestañear dentro y fuera de vacío aparentemente vacío e influir en su entorno.
La mecánica cuántica subyace en el modelo estándar de la física de partículas, que es actualmente la mejor explicación de cómo todas las partículas elementales conocidas, tales como electrones y protones, se comportan.
Sin embargo, todavía hay muchas preguntas abiertas en relación con el modelo estándar de la física de partículas, tales como si es o no puede ayudar a explicar los misterios cósmicos tales como la materia oscura y la energía oscura - ambos de los cuales no se han detectado directamente por los astrónomos, pero se basan en sus efectos gravitacionales.
Las interacciones entre las partículas elementales se describen a menudo con lo que se conoce como teorías de gauge. Sin embargo, la dinámica en tiempo real de las partículas en las teorías de gauge son extremadamente difíciles de calcular para las computadoras convencionales, excepto en los casos más sencillos.
Como resultado de ello, en lugar de eso, los científicos han recurrido a dispositivos experimentales conocidos como computadores cuánticos. "Nuestro trabajo es un primer paso hacia el desarrollo de herramientas dedicadas que nos pueden ayudar a obtener una mejor comprensión de las interacciones fundamentales entre los constituyentes elementales de la naturaleza," dijo Christine Muschik el co-autor principal del estudio. Muschik es un físico teórico en el Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica de la Academia de Ciencias de Austria en Innsbruck, Austria.
Mientras que los computadores clásicos representan datos como unos y ceros - dígitos binarios conocidos como "bits", simbolizados con un movimiento rápido similar de transistores de conmutación ya sea dentro o fuera - los computadores cuánticos utilizan los bits cuánticos o qubits, que se encuentran en superposiciones - lo que significa que están en y fuera al mismo tiempo. Esto permite que un qubit pueda llevar a cabo dos cálculos simultáneamente.
En principio, las computadoras cuánticas podrían trabajar mucho más rápido que las computadoras regulares para resolver ciertos problemas, porque las máquinas cuánticas pueden analizar todas las soluciones posibles a la vez. En su nuevo estudio, los científicos construyeron un computador cuántico utilizando cuatro iones de calcio electromagnéticamente atrapados. Ellos controlan y manipulan estos cuatro qubits con pulsos de láser.
Los investigadores usaron su computador cuántico para simular la aparición y desaparición de partículas virtuales en el vacío, con pares de qubits representan pares de partículas virtuales - específicamente, los electrones y positrones, la carga positiva homóloga de antimateria de los electrones. Pulsos de láser ayudaron a simular cómo potentes campos electromagnéticos en un vacío pueden generar partículas virtuales, según los científicos.
La mecánica cuántica sugiere que el universo es un lugar difuso, surrealista en sus niveles más pequeños. Por ejemplo, los átomos y otras partículas pueden existir en estados de flujo conocidos como superposiciones, donde pueden parecer cada giro en direcciones opuestas al mismo tiempo, y pueden también enredarse - lo que significa que pueden influir en los demás de forma instantánea, no importa lo lejos que están separadas .
La mecánica cuántica también sugiere que los pares de partículas virtuales, cada uno compuesto de una partícula y su antipartícula, pueden pestañear dentro y fuera de vacío aparentemente vacío e influir en su entorno.
La mecánica cuántica subyace en el modelo estándar de la física de partículas, que es actualmente la mejor explicación de cómo todas las partículas elementales conocidas, tales como electrones y protones, se comportan.
Sin embargo, todavía hay muchas preguntas abiertas en relación con el modelo estándar de la física de partículas, tales como si es o no puede ayudar a explicar los misterios cósmicos tales como la materia oscura y la energía oscura - ambos de los cuales no se han detectado directamente por los astrónomos, pero se basan en sus efectos gravitacionales.
Las interacciones entre las partículas elementales se describen a menudo con lo que se conoce como teorías de gauge. Sin embargo, la dinámica en tiempo real de las partículas en las teorías de gauge son extremadamente difíciles de calcular para las computadoras convencionales, excepto en los casos más sencillos.
Como resultado de ello, en lugar de eso, los científicos han recurrido a dispositivos experimentales conocidos como computadores cuánticos. "Nuestro trabajo es un primer paso hacia el desarrollo de herramientas dedicadas que nos pueden ayudar a obtener una mejor comprensión de las interacciones fundamentales entre los constituyentes elementales de la naturaleza," dijo Christine Muschik el co-autor principal del estudio. Muschik es un físico teórico en el Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica de la Academia de Ciencias de Austria en Innsbruck, Austria.
Mientras que los computadores clásicos representan datos como unos y ceros - dígitos binarios conocidos como "bits", simbolizados con un movimiento rápido similar de transistores de conmutación ya sea dentro o fuera - los computadores cuánticos utilizan los bits cuánticos o qubits, que se encuentran en superposiciones - lo que significa que están en y fuera al mismo tiempo. Esto permite que un qubit pueda llevar a cabo dos cálculos simultáneamente.
En principio, las computadoras cuánticas podrían trabajar mucho más rápido que las computadoras regulares para resolver ciertos problemas, porque las máquinas cuánticas pueden analizar todas las soluciones posibles a la vez. En su nuevo estudio, los científicos construyeron un computador cuántico utilizando cuatro iones de calcio electromagnéticamente atrapados. Ellos controlan y manipulan estos cuatro qubits con pulsos de láser.
Los investigadores usaron su computador cuántico para simular la aparición y desaparición de partículas virtuales en el vacío, con pares de qubits representan pares de partículas virtuales - específicamente, los electrones y positrones, la carga positiva homóloga de antimateria de los electrones. Pulsos de láser ayudaron a simular cómo potentes campos electromagnéticos en un vacío pueden generar partículas virtuales, según los científicos.
"Este es uno de los más complejos experimentos que jamás se haya llevado a cabo en un computador cuántico de iones atrapados", dijo Rainer Blatt coautor del studio, un físico experimental en el Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica de la Academia de Ciencias de Austria en Innsbruck, Austria.
Este trabajo muestra que los computadores cuánticos pueden simular la física de alta energía - que muestra cómo las partículas pueden comportarse en niveles de energía que son demasiado altos para generar fácilmente en la Tierra. "El campo de la computación cuántica experimental está creciendo muy rápido, y muchas personas se hacen la pregunta, ¿Qué es una pequeña escala para un buen computador cuántico?" dijo Esteban Martínez, co-autor principal del estudio, un físico experimental de la Universidad de Innsbruck en Austria.
"A diferencia de otras aplicaciones, no son necesarios millones de bits cuánticos para hacer estas simulaciones - decenas podrían ser suficientes para hacer frente a los problemas que aún no se pueden atacar con las alternativas clásicas."
El problema de los investigadores es que lo que su simulador cuántico debía analizar era bastante simple de calcular por los computadores clásicos, y que mostraron que los resultados del simulador cuántico acertaron predicciones con gran precisión.
Esto sugiere que los simuladores cuánticos podrían ser utilizados en los problemas de la teoría de calibre más complejos en el futuro, y las máquinas podrían incluso ver los nuevos fenómenos. "Nuestro experimento de prueba de principio representa un primer paso hacia el objetivo a largo plazo de desarrollo de las futuras generaciones de simuladores cuánticos que serán capaces de hacer frente a cuestiones que no se pueden contestar de otro modo," dijo Muschik.
En principio, los simuladores cuánticos de escritorio podrían ayudar a modelar el tipo de física extraordinaria de alta energía estudiada actualmente utilizando aceleradores de partículas caros, como el Gran Colisionador de Hadrones en el CERN. "Estos dos enfoques se complementan perfectamente", dijo en un comunicado el co-autor del estudio Peter Zoller, un físico teórico en el Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica de la Academia de Ciencias de Austria en Innsbruck.
"No podemos substituir los experimentos que se realizan con los colisionadores de partículas. Sin embargo, mediante el desarrollo de simuladores cuánticos, un día podremos ser capaces de entender mejor estos experimentos ." "Por otra parte, podemos estudiar nuevos procesos mediante el uso de la simulación cuántica - por ejemplo, en nuestro experimento, que también investigó el entrelazamiento de partículas producidas durante la creación de pares, lo cual no es posible en un acelerador de partículas", dijo Blatt en un comunicado.
En última instancia, los simuladores cuánticos pueden ayudar a los investigadores simular la dinámica dentro de las estrellas muertas conocidas como estrellas de neutrones, o investigar "las cuestiones relativas a las interacciones a energías muy altas y altas densidades que describen la física del universo temprano", dijo Muschik. Los científicos detallaron sus hallazgos en la edición del 23 de junio de la revista Nature.
Este trabajo muestra que los computadores cuánticos pueden simular la física de alta energía - que muestra cómo las partículas pueden comportarse en niveles de energía que son demasiado altos para generar fácilmente en la Tierra. "El campo de la computación cuántica experimental está creciendo muy rápido, y muchas personas se hacen la pregunta, ¿Qué es una pequeña escala para un buen computador cuántico?" dijo Esteban Martínez, co-autor principal del estudio, un físico experimental de la Universidad de Innsbruck en Austria.
"A diferencia de otras aplicaciones, no son necesarios millones de bits cuánticos para hacer estas simulaciones - decenas podrían ser suficientes para hacer frente a los problemas que aún no se pueden atacar con las alternativas clásicas."
El problema de los investigadores es que lo que su simulador cuántico debía analizar era bastante simple de calcular por los computadores clásicos, y que mostraron que los resultados del simulador cuántico acertaron predicciones con gran precisión.
Esto sugiere que los simuladores cuánticos podrían ser utilizados en los problemas de la teoría de calibre más complejos en el futuro, y las máquinas podrían incluso ver los nuevos fenómenos. "Nuestro experimento de prueba de principio representa un primer paso hacia el objetivo a largo plazo de desarrollo de las futuras generaciones de simuladores cuánticos que serán capaces de hacer frente a cuestiones que no se pueden contestar de otro modo," dijo Muschik.
En principio, los simuladores cuánticos de escritorio podrían ayudar a modelar el tipo de física extraordinaria de alta energía estudiada actualmente utilizando aceleradores de partículas caros, como el Gran Colisionador de Hadrones en el CERN. "Estos dos enfoques se complementan perfectamente", dijo en un comunicado el co-autor del estudio Peter Zoller, un físico teórico en el Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica de la Academia de Ciencias de Austria en Innsbruck.
"No podemos substituir los experimentos que se realizan con los colisionadores de partículas. Sin embargo, mediante el desarrollo de simuladores cuánticos, un día podremos ser capaces de entender mejor estos experimentos ." "Por otra parte, podemos estudiar nuevos procesos mediante el uso de la simulación cuántica - por ejemplo, en nuestro experimento, que también investigó el entrelazamiento de partículas producidas durante la creación de pares, lo cual no es posible en un acelerador de partículas", dijo Blatt en un comunicado.
En última instancia, los simuladores cuánticos pueden ayudar a los investigadores simular la dinámica dentro de las estrellas muertas conocidas como estrellas de neutrones, o investigar "las cuestiones relativas a las interacciones a energías muy altas y altas densidades que describen la física del universo temprano", dijo Muschik. Los científicos detallaron sus hallazgos en la edición del 23 de junio de la revista Nature.
No hay comentarios.:
Publicar un comentario
Comenta si te gustó lo que acabas de ver.