Un cálculo tan complejo que lleva 20 años completarlo en una potente computadora de escritorio ahora se puede realizar en una hora en una computadora portátil normal. El físico Andreas Ekström de la Universidad Tecnológica de Chalmers, junto con colegas de investigación internacionales, ha diseñado un nuevo método para calcular las propiedades de los núcleos atómicos de forma increíblemente rápida.

El nuevo enfoque se basa en un concepto llamado emulación, donde un cálculo aproximado reemplaza a un cálculo completo y más complejo. Aunque los investigadores están tomando un atajo, la solución termina siendo casi exactamente la misma. Es una reminiscencia de los algoritmos del aprendizaje automático, pero finalmente los investigadores han diseñado un método completamente nuevo. Abre aún más posibilidades en la investigación fundamental en áreas como la física nuclear.

"Ahora que podemos emular núcleos atómicos con este método, tenemos una herramienta completamente nueva para construir y analizar descripciones teóricas de las fuerzas entre protones y neutrones dentro del núcleo atómico, "dice el líder de investigación Andreas Ekström, Profesor asociado del Departamento de Física de Chalmers.

Fundamental para comprender nuestra existencia

El tema puede parecer un nicho, pero de hecho es fundamental para comprender nuestra existencia y la estabilidad y origen de la materia visible. La mayor parte de la masa atómica reside en el centro del átomo, en una región densa llamada núcleo atómico. Las partículas constituyentes del núcleo, los protones y neutrones, se mantienen unidos por algo llamado fuerza fuerte. Aunque esta fuerza es tan fundamental para nuestra existencia, nadie sabe exactamente cómo funciona. Para aumentar nuestro conocimiento y desentrañar las propiedades fundamentales de la materia visible, los investigadores deben poder modelar las propiedades de los núcleos atómicos con gran precisión.

La investigación básica en la que están trabajando Andreas Ekström y sus colegas arroja nueva luz sobre temas que van desde las estrellas de neutrones y sus propiedades, a la estructura más interna y la desintegración de los núcleos. La investigación básica en física nuclear también proporciona información esencial para la astrofísica, física atómica, y física de partículas.

Abriendo puertas a posibilidades completamente nuevas

"Estoy increíblemente emocionado de poder realizar cálculos con tanta precisión y eficiencia. En comparación con nuestros métodos anteriores, se siente como si ahora estuviéramos computando a la velocidad del rayo. En nuestro trabajo continuo aquí en Chalmers, esperamos mejorar aún más el método de emulación, y realizar análisis estadísticos avanzados de nuestros modelos de mecánica cuántica. Con este método de emulación parece que podemos lograr resultados que antes se consideraban imposibles. Esto ciertamente abre las puertas a posibilidades completamente nuevas, "dice Andreas Ekström.

Más sobre el atajo matemático

El nuevo método de emulación se basa en algo llamado continuación de vector propio (EVC). Permite la emulación de muchas propiedades de la mecánica cuántica de los núcleos atómicos con una velocidad y precisión increíbles. En lugar de resolver directamente el complejo problema de muchos cuerpos que requiere mucho tiempo una y otra vez, los investigadores han creado un atajo matemático, utilizando una transformación en un subespacio especial. Esto hace posible utilizar algunas soluciones exactas para luego obtener soluciones aproximadas mucho más rápido.

Si el emulador funciona bien, genera soluciones que son casi exactamente (alrededor del 99 por ciento) similares a las soluciones al problema original. En muchos sentidos, se trata de los mismos principios que se utilizan en el aprendizaje automático, pero no se trata de una red neuronal ni de un proceso gaussiano; lo sustenta un método completamente nuevo. El método EVC para la emulación no se limita a los núcleos atómicos, y los investigadores actualmente están investigando más en diferentes tipos de aplicaciones.