Un ordenador cuántico qudit simula interacciones entre partículas elementales

El modelo estándar de la física de partículas ha sido durante décadas la piedra angular para comprender el universo subatómico. Sin embargo, su complejidad ha impedido realizar ciertas simulaciones, incluso con las supercomputadoras más potentes. Ahora, un nuevo tipo de ordenador cuántico podría cambiar esa realidad.

Investigadores de la Universidad de Innsbruck, en colaboración con el Instituto de Computación Cuántica (IQC) de la Universidad de Waterloo en Canadá, han logrado simular una teoría cuántica de campos completa en más de una dimensión espacial. El experimento, publicado en la revista Nature Physics, se basó en el uso de qudits: unidades cuánticas capaces de representar más de dos estados, a diferencia de los bits clásicos o los qubits tradicionales.

Este enfoque innovador permite modelar con mayor precisión las interacciones entre partículas y los campos que las conectan, como la fuerza electromagnética. "Nuestro enfoque permite una representación natural de los campos cuánticos, lo que hace que los cálculos sean mucho más eficientes", señaló Michael Meth, autor principal del estudio.

Gracias a esta tecnología, el equipo observó por primera vez características fundamentales de la electrodinámica cuántica en dos dimensiones espaciales. Esto representa un salto respecto a los experimentos previos de 2016, que restringían el movimiento de las partículas a una sola línea. Ahora, la presencia de campos magnéticos entre partículas revela un comportamiento más realista y complejo del universo cuántico.

La clave del avance reside en la combinación de hardware especializado en Innsbruck y algoritmos avanzados desarrollados en Waterloo. Al utilizar qudits que pueden adoptar hasta cinco estados, los investigadores han conseguido un rendimiento mucho mayor en la simulación de fenómenos que requieren estructuras multidimensionales, como los campos vectoriales de la física de partículas.

Christine Muschik, líder del equipo teórico, subraya la importancia de eliminar las limitaciones unidimensionales: “Observar campos magnéticos entre partículas es un paso decisivo hacia una representación más completa de las interacciones fundamentales”. Por su parte, Martin Ringbauer, del equipo experimental, expresó su entusiasmo por las perspectivas que abre esta tecnología en la comprensión de las fuerzas que gobiernan el universo.

El estudio no solo sienta las bases para simulaciones más complejas en física cuántica, sino que abre la puerta a explorar otras fuerzas fundamentales como la fuerza nuclear fuerte, responsable de mantener unidos los núcleos atómicos. Con tan solo unos pocos qudits adicionales, los investigadores creen que podrían modelar sistemas en tres dimensiones e incluso fenómenos aún sin explicación completa dentro del modelo estándar.

El trabajo ha sido financiado por el Fondo Austriaco para la Ciencia (FWF), el Ministerio Federal de Educación, Ciencia e Investigación de Austria, la Agencia Austriaca de Promoción de la Investigación (FFG), la Unión Europea y el Fondo de Excelencia en Investigación Canadá Primero.