Personal investigador del IFIC utilitza el buit quàntic per a millorar les prediccions en física de partícules i avançar en computació quàntica

Un equip internacional liderat per l'Institut de Física Corpuscular (IFIC), situat en l'àrea científic-acadèmica del Parc Científic de la Universitat de València (PCUV), ha desenrotllat un algorisme que permet predir amb major precisió el comportament de les partícules elementals en acceleradors com el LHC. El mètode s'ha provat per primera vegada per a predir el comportament del bosó de Higgs en un ordinador quàntic amb un nivell de detalls sense precedents en esta mena de màquines

Un equip internacional liderat per investigadors de l'Institut de Física Corpuscular (IFIC), que es troba en l'àrea científic-acadèmica del Parc Científic de la Universitat de València i centre mixt del Consell Superior d'Investigacions Científiques (CSIC), ha desenrotllat un algorisme que permet predir amb major precisió el comportament de les partícules elementals en acceleracions com el Gran Colisionador d'Hadrons (LHC) del CERN. Este nou mètode es basa en les fluctuacions del buit quàntic, un fenomen de la Física que oferix representacions matemàtiques més precises dels processos físics. Este mètode, publicat en la prestigiosa revista científica Physical Review Letters, s'ha implementat per primera vegada en un ordinador quàntic, un avanç arreplegat en un altre article publicat en la revista Quàntum Science and Technology.

El buit de la Física quàntica és un concepte fascinant, però alhora desconcertant. Este representa un escenari dinàmic on partícules i antipartícules sorgixen i s'aniquilen de manera constant, guiades a través del principi d'incertesa de Heisenberg. A pesar que són breus, les fluctuacions del buit quàntic deixen una petjada indeleble que permet millorar significativament les prediccions teòriques sobre el comportament de les partícules subatòmiques, una cosa vital per a interpretar les dades en experiments com el LHC. 

Els models teòrics que prediuen este comportament s'han basat tradicionalment en els diagrames del premi Nobel Richard Feynman. De manera gràfica i concisa, estos models representen la interacció entre un conjunt de partícules que col·lidixen inicialment i les que emergixen com a resultat d'esta col·lisió. No obstant això, el formalisme matemàtic utilitzat permet, a vegades, la producció d'algunes d'estes partícules amb energia exactament nul·la o en la mateixa direcció.  

Encara que estes configuracions són vàlides des del punt de vista matemàtic, manquen de significat físic. Este fenomen reflectix una característica essencial de la mecànica quàntica: el nombre de partícules no és fix i pot canviar a causa de fluctuacions quàntiques. Això complica els càlculs teòrics i genera grans desafiaments, ja que sovint sorgixen infinits matemàtics que dificulten obtindre resultats precisos.

Tal com explica Germán Rodrigo, investigador principal del grup LHCPHENO en l'IFIC que lidera el treball, quan un formalisme matemàtic conduïx a complicacions necessàries, "sol ser un senyal que existix un mode més elegant i directe per a obtindre el resultat". "El mètode que hem desenrotllat incorpora de manera manifesta el principi físic fonamental de causalitat, o causa-efecte. A més de possibilitar prediccions teòriques més avançades, oferix una nova perspectiva per a entendre les enigmàtiques propietats quàntiques del buit”, assegura el físic del CSIC.

D'esta manera, la investigació liderada per l'IFIC proposa un enfocament innovador: basar els càlculs teòrics en les amplituds de buit, és a dir, en diagrames que no inclouen partícules externes i se centren en les fluctuacions intrínseques del buit quàntic. Esta estratègia elimina les dificultats associades als valors infinits i oferix representacions matemàtiques més precises dels processos físics reals. 

La investigació liderada per l'IFIC proposa un enfocament innovador: basar els càlculs teòrics en les amplituds de buit, és a dir, en diagrames que no inclouen partícules externes i se centren en les fluctuacions intrínseques del buit quàntic

Aplicacions en computació quàntica

L'absència d'infinits, juntament amb la naturalesa quàntica intrínseca de la física de partícules, ha permés als investigadors implementar amb èxit el seu nou algorisme en un ordinador quàntic. Per primera vegada en esta mena de plataformes, esta fita ha facilitat la predicció, de la taxa de desintegració del bosó de Higgs, la partícula elemental responsable de la massa en l'univers, a segon orde de la teoria quàntica de camps, el marc teòric que combina la mecànica quàntica i la relativitat especial per a descriure com interactuen les partícules elementals. 

Això representa un avanç significatiu, perquè els càlculs a ordes alts en teoria quàntica de camps, on cada orde nou millora significativament la descripció del sistema, són extremadament complexos i requerixen una gran capacitat computacional. Aconseguir este resultat en un ordinador quàntic, a més de validar la seua capacitat per a abordar problemes avançats de física teòrica, obri noves possibilitats per a l'ús de la computació quàntica en simulacions de partícules elementals i altres aplicacions en física d'altes energies.

Jorge Martínez de Lejarza, doctorant en l'IFIC i un dels autors de l'últim treball, apunta: “Els ordinadors quàntics prometen revolucionar la computació en el segle XXI, superant als ordinadors clàssics en la resolució d'uns certs problemes concrets. En física de partícules ens enfrontem a alguns dels majors desafiaments en la ciència i, en eixe sentit, la nostra missió és reformular-los per a permetre la seua execució en ordinadors quàntics, contribuint així a avançar en una millor comprensió de l'univers”. 

"Els ordinadors quàntics prometen revolucionar la computació en el segle XXI, superant als ordinadors clàssics en la resolució d'uns certs problemes concrets", Jorge Martínez de Lejarza, doctorant en l'IFIC i un dels autors del treball

Este avanç obri noves oportunitats per al desenrotllament d'aplicacions en computació quàntica i representa un pas significatiu en l'exploració de les fronteres de la física de partícules. Els dos treballs s'han realitzat en col·laboració amb personal investigador de la Universitat de Salamanca, la Universitat Autònoma de Sinaloa (Mèxic) i la Iniciativa en Tecnologies Quàntiques del CERN.

Font: Comunicació CSIC Comunitat Valenciana