En física nuclear, como gran parte de la ciencia, las teorías detalladas por sí solas no siempre son suficientes para desbloquear predicciones sólidas. A menudo hay demasiadas piezas interactuar de formas complejas, para que los investigadores sigan la lógica de una teoría hasta el final. Es una de las razones por las que todavía existen tantos misterios en la naturaleza, incluyendo cómo los bloques de construcción básicos del universo se fusionan y forman estrellas y galaxias. Lo mismo ocurre con los experimentos de alta energía, en el que partículas como los protones chocan a velocidades increíbles para crear condiciones extremas similares a las que ocurrieron justo después del Big Bang.

Afortunadamente, Los científicos a menudo pueden manejar simulaciones para superar las complejidades. Una simulación representa los aspectos importantes de un sistema, como un avión, el flujo de tráfico de una ciudad o un átomo, como parte de otro, sistema más accesible (como un programa de computadora o un modelo a escala). Los investigadores han utilizado su creatividad para hacer que las simulaciones sean más baratas, más rápido o más fácil de trabajar que los temas formidables que investigan, como las colisiones de protones o los agujeros negros.

Las simulaciones van más allá de una cuestión de conveniencia; son esenciales para abordar casos que son demasiado difíciles de observar directamente en experimentos y demasiado complejos para que los científicos puedan extraer todas las conclusiones lógicas a partir de principios básicos. Diversos avances en la investigación, desde modelar las complejas interacciones de las moléculas detrás de la vida hasta predecir las firmas experimentales que finalmente permitieron la identificación del bosón de Higgs, han resultado del ingenioso uso de simulaciones.

Pero las simulaciones convencionales solo te llevan hasta cierto punto. En muchos casos, una simulación requiere tantos cálculos que las mejores computadoras jamás construidas no pueden lograr un progreso significativo, ni siquiera si está dispuesto a esperar toda su vida.

Ahora, Los simuladores cuánticos (que explotan efectos cuánticos como la superposición y el entrelazamiento) prometen utilizar su poder para resolver muchos problemas que se han negado a ceder a las simulaciones construidas sobre computadoras clásicas, incluidos los problemas de física nuclear. Pero para ejecutar cualquier simulación, cuántica o de otro tipo, Los científicos primero deben determinar cómo representar fielmente su sistema de interés en su simulador. Deben crear un mapa entre los dos.

El físico nuclear computacional Zohreh Davoudi, profesor asistente de física en la Universidad de Maryland (UMD), está colaborando con investigadores de JQI para explorar cómo las simulaciones cuánticas podrían ayudar a los físicos nucleares. Están trabajando para crear algunos de los primeros mapas entre las teorías que describen los fundamentos de la física nuclear y los primeros simuladores cuánticos y computadoras cuánticas que se están ensamblando en los laboratorios.

"Parece que estamos a punto de pasar a la siguiente fase de la computación que aprovecha la mecánica cuántica, ", dice Davoudi." Y si los científicos nucleares no entran en este campo ahora, si no empezamos a trasladar nuestros problemas a ese hardware cuántico, es posible que no podamos ponernos al día más tarde porque la computación cuántica está evolucionando muy rápido ".

Davoudi y varios colegas, incluidos los becarios de JQI Chris Monroe y Mohammad Hafezi, diseñaron su enfoque para hacer mapas con miras a la compatibilidad con las tecnologías cuánticas en el horizonte. En un nuevo artículo publicado el 8 de abril, 2020 en la revista Physical Review Research, describen su nuevo método y cómo crea nuevas oportunidades de simulación para que los investigadores las exploren.

"Todavía no está claro exactamente dónde se aplicarán de manera útil las computadoras cuánticas, "dice Monroe, quien también es profesor de física en la UMD y cofundador de la startup de computación cuántica IonQ. "Una estrategia es implementarlos en problemas que se basan en la física cuántica. Hay muchos enfoques en la estructura electrónica y la física nuclear que son tan exigentes para las computadoras normales que las computadoras cuánticas pueden ser un camino a seguir".

Patrones y control

Como primer objetivo, el equipo puso sus miras en las teorías del calibre de celosía. Las teorías de calibre describen una amplia variedad de física, incluida la intrincada danza de los quarks y gluones, las partículas fundamentales de la física nuclear. Las versiones de celosía de las teorías de calibre simplifican los cálculos al restringir todas las partículas y sus interacciones a una cuadrícula ordenada, como piezas en un tablero de ajedrez.

Incluso con esta simplificación, Las computadoras modernas aún pueden ahogarse al simular densos grupos de materia o al rastrear cómo cambia la materia a lo largo del tiempo. El equipo cree que las computadoras cuánticas podrían superar estas limitaciones y eventualmente simular tipos más desafiantes de teorías de gauge, como la cromodinámica cuántica, que describe las interacciones fuertes que unen quarks y gluones en protones y neutrones y los mantienen unidos como núcleos atómicos.

Davoudi y sus colegas eligieron iones atómicos atrapados, la especialidad de Monroe, como el sistema físico para realizar su simulación. En estos sistemas, iones, que son átomos cargados eléctricamente, flotar, cada uno atrapado por un campo eléctrico o magnético circundante. Los científicos pueden diseñar estos campos para organizar los iones en varios patrones que se pueden utilizar para almacenar y transferir información. Para esta propuesta, el equipo se centró en los iones organizados en línea recta.

Los investigadores utilizan láseres para controlar cada ión y sus interacciones con los vecinos, una capacidad esencial al crear una simulación útil. Los iones son mucho más accesibles que las partículas más pequeñas que intrigan a Davoudi. Los físicos nucleares solo pueden soñar con lograr el mismo nivel de control sobre las interacciones en el corazón de los átomos.

"Tome un problema en la escala del femtómetro y amplíelo a una escala de micrones, lo que aumenta drásticamente nuestro nivel de control, "dice Hafezi, quien también es profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática y el Departamento de Física de la UMD. "Imagina que se suponía que debías disecar una hormiga. Ahora la hormiga está estirada a la distancia entre Boston y Los Ángeles".

Al diseñar su método de elaboración de mapas, el equipo analizó lo que se puede hacer con los láseres disponibles en el mercado. Se dieron cuenta de que la tecnología actual permite a los atrapadores de iones instalar láseres en una nueva, forma eficiente que permite el control simultáneo de tres interacciones de espín diferentes para cada ion.

"Los sistemas de iones atrapados vienen con una caja de herramientas para simular estos problemas, ", dice Hafezi." Su característica sorprendente es que a veces puede volver atrás y diseñar más herramientas y agregarlas a la caja ".

Con esta oportunidad en mente, los investigadores desarrollaron un procedimiento para producir mapas con dos características deseables. Primero, los mapas maximizan la fidelidad con la que la simulación de trampa de iones coincide con la teoría deseada del indicador de celosía. Segundo, minimizan los errores que se producen durante la simulación.

En el papel, los investigadores describen cómo este enfoque podría permitir que una cadena unidimensional de iones simule algunas teorías simples de calibre de celosía, no solo en una dimensión sino también en dimensiones superiores. Con este enfoque, el comportamiento de los espines iónicos se puede adaptar y mapear a una variedad de fenómenos que pueden describirse mediante teorías de calibre reticular, como la generación de materia y antimateria a partir del vacío.

"Como teórico nuclear, Estoy emocionado de seguir trabajando con teóricos y experimentadores con experiencia en atómica, molecular, y física óptica y en tecnología de trampa de iones para resolver problemas más complejos, "dice Davoudi." Le expliqué la singularidad de mi problema y mi sistema, y explicaron las características y capacidades de su sistema, luego hicimos una lluvia de ideas sobre cómo podemos hacer este mapeo ".

Monroe señala que "esto es exactamente lo que se necesita para el futuro de la computación cuántica. Este 'co-diseño' de dispositivos hechos a la medida para aplicaciones específicas es lo que hace que el campo sea fresco y emocionante".

Analógico vs.Digital

Las simulaciones propuestas por Davoudi y sus colegas son ejemplos de simulaciones analógicas, ya que representan directamente elementos e interacciones en un sistema con los de otro sistema. Generalmente, Los simuladores analógicos deben diseñarse para un problema particular o un conjunto de problemas. Esto los hace menos versátiles que los simuladores digitales, que tienen un conjunto establecido de bloques de construcción discretos que se pueden unir para simular casi cualquier cosa con suficiente tiempo y recursos.

La versatilidad de las simulaciones digitales ha cambiado el mundo, pero un sistema analógico bien diseñado suele ser menos complejo que su homólogo digital. Las simulaciones analógicas cuánticas cuidadosamente diseñadas podrían proporcionar resultados para ciertos problemas antes de que las computadoras cuánticas puedan realizar simulaciones digitales de manera confiable. Esto es similar a simplemente usar un túnel de viento en lugar de programar una computadora para modelar la forma en que el viento golpea todo, desde un ganso hasta un avión de combate experimental.

El equipo de Monroe, en colaboración con el coautor Guido Pagano, un ex investigador postdoctoral de JQI que ahora es profesor asistente en la Universidad de Rice, está trabajando para implementar el nuevo enfoque analógico en los próximos años. El sistema completo debería poder simular una variedad de teorías de calibre de celosía.

Los autores dicen que esta investigación es solo el comienzo de un camino más largo. Dado que las teorías del calibre de celosía se describen de formas matemáticamente similares a otros sistemas cuánticos, los investigadores son optimistas de que su propuesta encontrará usos más allá de la física nuclear, como en la física de la materia condensada y la ciencia de los materiales. Davoudi también está trabajando para desarrollar propuestas de simulación cuántica digital con Monroe y Norbert Linke, otro miembro de JQI. Ella espera que los dos proyectos revelen las ventajas y desventajas de cada enfoque y proporcionen información sobre cómo los investigadores pueden abordar los problemas de física nuclear con todo el poder de la computación cuántica.

"Queremos simular eventualmente teorías de naturaleza más compleja y, en particular, la cromodinámica cuántica que es responsable de la fuerza fuerte en la naturaleza, ", dice Davoudi." Pero eso podría requerir pensar aún más fuera de la caja ".