Un gran avance en la física teórica es un paso importante hacia la predicción del comportamiento de la materia fundamental de la que está construido nuestro mundo. Se puede utilizar para calcular sistemas de enormes cantidades de partículas cuánticas, una hazaña que antes se creía imposible.
La nueva investigación de la Universidad de Copenhague puede resultar de gran importancia para el diseño de ordenadores cuánticos e incluso podría servir como mapa para los superconductores que funcionan a temperatura ambiente. El artículo se publica en la revista Physical Review X. .
Al margen de la física teórica, Berislav Buca investiga lo casi imposible a través de matemáticas "exóticas". Su última teoría no es una excepción. Al hacer posible calcular la dinámica, es decir, los movimientos y las interacciones, de sistemas con enormes cantidades de partículas cuánticas, se ha conseguido algo que se había descartado en la física. Una imposibilidad hecha posible.
La inesperada presencia de un gato blanco adorna las ilustraciones de la investigación de Buca. El gato Pulci es su musa llamativa. Las flechas que atraviesan el cuerpo del gato ilustran el origen mecánico cuántico de los movimientos del gato juguetón, y esta es precisamente la relación que Buca intenta comprender al permitir calcular la dinámica de las partículas más pequeñas.
Este avance ha revitalizado una vieja y fundamental pregunta científica:en teoría, si todo el comportamiento en el universo puede calcularse mediante las leyes de la física, ¿podemos entonces predecirlo todo calculando sus partículas más pequeñas?
"Muchas disciplinas de la física tratan, en última instancia, de explicar y predecir el mundo mediante la comprensión de las leyes de la física y el cálculo del comportamiento de las partículas más pequeñas. En principio, podríamos responder cualquier posible pregunta sobre cómo se comportan todo tipo de cosas si pudiéramos ", dice Buca del Instituto Niels Bohr de la Universidad de Copenhague.
"En principio, el comportamiento de todo lo que existe en el universo puede entenderse a partir de las leyes microscópicas que gobiernan la dinámica de las partículas", afirma, aunque rápidamente pide precaución.
"Por supuesto que no puedo hacer eso", dice el teórico.
Las interacciones y los movimientos de las partículas cuánticas en sus sistemas son tan complejos, explica el investigador, que incluso el superordenador más potente del mundo actualmente sólo es capaz de realizar cálculos con una docena de estas partículas a la vez.
Al mismo tiempo, un solo átomo consta de al menos dos partículas cuánticas y un solo grano de arena de aproximadamente 50 mil millones de mil millones de átomos, sin mencionar un gato o cualquier otra cosa que uno quisiera entender en nuestro universo. P>
"Así que en la práctica no es posible. Actualmente no. Sin embargo, mi teoría es un paso importante en la dirección correcta. Esto se debe a que se necesita una especie de atajo matemático para comprender la dinámica del conjunto, sin perder potencia de cálculo. en los detalles para una amplia clase de sistemas con muchas partículas cuánticas, es decir, sin necesidad de calcular todas las partículas individuales de un sistema", explica Buca.
La teoría ya se ha hecho un nombre al proporcionar la primera prueba matemática de una hipótesis de larga data en la física teórica.
Hasta ahora, la llamada hipótesis de la termalización del estado propio ha sido una suposición (una suposición fundamentada) en física que aún no se había explicado matemáticamente. Se trata de la capacidad de las matemáticas para describir los movimientos de sistemas cuánticos en su conjunto.
Así, la teoría de Buca ya ha demostrado su valor como investigación teórica básica y ha logrado lo que los teóricos habían considerado imposible durante mucho tiempo. Si bien los resultados interesan principalmente a las mentes brillantes de la física por ahora, las consecuencias podrían eventualmente ser grandiosas para todos nosotros.
Este conocimiento podría acabar mostrando el camino hacia la búsqueda de materiales cuánticos con propiedades tan únicas que podrían transformar nuestro mundo.
Estos materiales cuánticos son un requisito previo para clavar nuestras garras en algunos de los "pájaros en el monte" científicos más importantes, como computadoras cuánticas estables o incluso superconductores que funcionan a temperatura ambiente.
"Estamos buscando un material para computadoras cuánticas que pueda resistir la entropía, una ley de la naturaleza que hace que los sistemas complejos, por ejemplo, los materiales, se descompongan en formas menos complejas. La entropía destruye la coherencia necesaria para que las computadoras cuánticas sean estables y sigan funcionando. " explica Buca.
Los exóticos sistemas matemáticos que inicialmente lo inspiraron e hicieron posible su avance en la investigación pueden ser justo lo que una computadora cuántica necesita para ser verdaderamente útil.
"Los llamados qubits con los que teóricamente trabaja una computadora cuántica deben estar en un estado de superposición para funcionar, lo que significa que se encienden y apagan simultáneamente, en lenguaje común. Esto requiere que estén en un estado cuántico estable. Sin embargo, A la termodinámica no le gustan las estructuras requeridas por los materiales actuales. Mi teoría puede informarnos si estos sistemas exóticos pueden ser una forma de estructurar las cosas para que este estado cuántico pueda ser más permanente", dice Buca.
El método es un poco como una hoja de ruta que puede guiar a los investigadores a través de un vasto panorama de posibles materiales al permitir predicciones sobre cómo se comportarían estos materiales en condiciones experimentales. Por primera vez, esto ofrece a los investigadores una forma de orientar su búsqueda de materiales cuánticos equipados con propiedades especiales.
"Hasta ahora, la búsqueda de estos materiales se ha regido por el azar. Pero mis resultados pueden, por primera vez, proporcionar un principio rector a la hora de buscar propiedades únicas en materiales", afirma Buca.
Una brújula para el mapa del tesoro de la mecánica cuántica
Más información: Berislav Buča, Teoría unificada de la dinámica cuántica local de muchos cuerpos:teoremas de termalización del operador propio, Revisión física X (2023). DOI:10.1103/PhysRevX.13.031013
Información de la revista: Revisión física X
Proporcionado por la Universidad de Copenhague
