Las partículas elementales son los bloques de construcción fundamentales de la materia, y sus propiedades se describen en el Modelo estándar de física de partículas. El descubrimiento del bosón de Higgs en el CERN en 2012 constituye un paso más hacia la confirmación del Modelo estándar. Sin embargo,Muchos aspectos de esta teoría aún no se entienden porque su complejidad hace que sea difícil investigarlos con computadoras clásicas. Las computadoras cuánticas pueden proporcionar una forma de superar este obstáculo ya que pueden simular ciertos aspectos de la física de partículas elementales en un sistema cuántico bien controlado.Los físicos de la Universidad de Innsbruck y el Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica IQOQI de la Academia de Ciencias de Austria ahora han hecho exactamente eso: en un primer momento internacional, los equipos de investigación de Rainer Blatt y Peter Zoller han simulado teorías de medidores de celosía en un cuantocomputadora. Describen su trabajo en el diario Naturaleza .
Simulación de pares partícula-antipartícula usando una computadora cuántica
Las teorías de calibre describen la interacción entre partículas elementales, como los quarks y los gluones, y son la base para nuestra comprensión de los procesos fundamentales ". Procesos dinámicos, por ejemplo, la colisión de partículas elementales o la creación espontánea de pares de partículas antipartículas, son extremadamente difíciles de investigar ", explica Christine Muschik, física teórica del IQOQI." Sin embargo, los científicos alcanzan rápidamente un límite al procesar cálculos numéricos en computadoras clásicas. Por esta razón, se ha propuesto simular estos procesos mediante el uso de un programablesistema cuántico ". En los últimos años, se han propuesto muchos conceptos interesantes, pero hasta ahora era imposible realizarlos". Ahora hemos desarrollado un nuevo concepto que nos permite simular la creación espontánea de pares electrón-positrón fuera del vacío.mediante el uso de una computadora cuántica ", dice Muschik. El sistema cuántico consta de cuatro iones de calcio atrapados electromagnéticamente que están concontrolado por pulsos láser."Cada par de iones representa un par de una partícula y una antipartícula", explica el físico experimental Esteban A. Martínez."Utilizamos pulsos láser para simular el campo electromagnético en el vacío. Luego podemos observar cómo se crean los pares de partículas por las fluctuaciones cuánticas de la energía de este campo. Al observar la fluorescencia del ion, vemos 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".
Combinando diferentes campos de la física
Con este experimento, los físicos en Innsbruck han construido un puente entre dos campos diferentes en física: han utilizado experimentos de física atómica para estudiar preguntas en física de alta energía. Mientras que cientos de físicos teóricos trabajan en las complejas teorías del EstándarEl modelo y los experimentos se llevan a cabo en instalaciones extremadamente caras, como el Gran Colisionador de Hadrones en el CERN, los pequeños grupos pueden realizar simulaciones cuánticas en experimentos de mesa. "Estos dos enfoques se complementan perfectamente", dice el físico teórico Peter Zoller.No podemos reemplazar los experimentos que se realizan con colisionadores de partículas. Sin embargo, mediante el desarrollo de simuladores cuánticos, podemos ser capaces de comprender mejor estos experimentos algún día ". El físico experimental Rainer Blatt agrega:" Además, podemos estudiar nuevos procesos mediante el uso de simulación cuánticaPor ejemplo, en nuestro experimento también investigamos el enredo de partículas producido durante la creación de pares, lo que no es posiblee en un colisionador de partículas ". Los físicos están convencidos de que los futuros simuladores cuánticos podrán resolver cuestiones importantes en física de alta energía que no pueden abordarse mediante métodos convencionales.
Fundación para un nuevo campo de investigación
Hace solo unos años se propuso la idea de combinar física atómica y de alta energía. Con este trabajo se ha implementado experimentalmente por primera vez. "Este enfoque es conceptualmente muy diferente de los experimentos anteriores de simulación cuántica que estudian muchosfísica del cuerpo o química cuántica. La simulación de 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. Las condiciones para los físicos experimentalesfueron igualmente exigentes: "Este es uno de los experimentos más complejos que se haya llevado a cabo en una computadora cuántica de iones atrapados", dice Blatt. "Todavía estamos descubriendo cómo funcionan estas simulaciones cuánticas y solo podremos aplicarlas gradualmentea fenómenos más desafiantes ". La gran experiencia teórica y experimental de los físicos en Innsbruck fue crucial para el avance. Ambos BlatT y Zoller enfatizan que han estado investigando en computadoras cuánticas durante muchos años y que han adquirido mucha experiencia en su implementación.Innsbruck se ha convertido en uno de los principales centros de investigación en física cuántica;aquí, las ramas teóricas y experimentales trabajan juntas a un nivel extremadamente alto, lo que les permite obtener nuevos conocimientos sobre fenómenos fundamentales.
Los científicos cuentan con el apoyo financiero de la Universidad de Innsbruck, el Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica IQOQI de la Academia de Ciencias de Austria, el Fondo de Ciencia de Austria FWF, la Deutsche Akademie der Naturforscher Leopoldina, la Unión Europea yFederación de Industrias de Austria Tirol, entre otros.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad de Innsbruck . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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