Hoy en día, la palabra "cuántico" está en todas partes:en nombres de empresas, títulos de películas e incluso en salas de cine. Pero en esencia, el concepto de cuanto (la cantidad más pequeña y discreta de algo) se desarrolló por primera vez para explicar el comportamiento de los fragmentos más pequeños de materia y energía.
Durante el último siglo, los científicos han desarrollado descripciones matemáticas de cómo interactúan estas partículas y paquetes de energía y han utilizado su conocimiento de la "mecánica cuántica" para diseñar una serie de tecnologías sorprendentes, desde computadoras y teléfonos móviles hasta telescopios y naves espaciales.
Nuevas aplicaciones, como potentes ordenadores cuánticos y redes de comunicaciones cuánticas, están en el horizonte. Pero incluso antes de que estas aplicaciones lleguen a la corriente principal, los científicos están desarrollando código cuántico para realizar cálculos cuánticos y utilizándolo para rastrear sistemas cuánticos complejos.
En un ejemplo reciente, teóricos y científicos computacionales del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y de la Universidad Stony Brook (SBU) realizaron una serie de simulaciones cuánticas para explorar una de las características más extravagantes del reino cuántico:el entrelazamiento. El estudio lleva la cuántica a sus raíces al intentar explicar el comportamiento de las partículas subatómicas.
"La idea esencial detrás del entrelazamiento es que dos objetos cuánticos, digamos dos partículas, pueden estar correlacionados o ser conscientes el uno del otro, incluso si están separados por distancias muy grandes", explicó el teórico del Brookhaven Lab/SBU, Dmitri Kharzeev, quien dirigió el estudio. investigación. Einstein lo llamó "acción espeluznante a distancia". Pero innumerables experimentos han demostrado que el efecto espeluznante es real.
Para ir un paso más allá, Kharzeev y sus colegas querían ver si el entrelazamiento persiste en chorros de partículas secundarias:cascadas de partículas producidas por la fragmentación de partículas supuestamente entrelazadas emitidas por colisiones de partículas de alta energía. Desarrollaron simulaciones para buscar correlaciones entre las partículas de un chorro y las de un chorro producido consecutivamente por el mismo evento inicial.
Sus simulaciones, descritas en una publicación en Physical Review Letters , reveló un fuerte enredo persistente, al menos en distancias cortas.
Los resultados proporcionan una base para probar estas predicciones en experimentos de física nuclear en el Colisionador Relativista de Iones Pesados (RHIC) del Laboratorio Brookhaven, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del laboratorio europeo CERN y el futuro Colisionador de Iones-Electrones (EIC), ahora en la etapa de diseño en Brookhaven. Además, el método, que utiliza código cuántico ejecutado en una supercomputadora clásica, ofrece información sobre formas de modernizar y aprovechar los activos informáticos existentes para ejecutar cálculos cuánticos hasta que aparezcan computadoras cuánticas más prácticas.
"Si se produce un quark y un antiquark seguidos en una colisión de alta energía, se espera que estas dos partículas se enreden porque se produjeron en la misma interacción", dijo el coautor del estudio, Adrien Florio, miembro de Goldhaber que trabaja con Kharzeev. en el Departamento de Física del Brookhaven Lab. "Pero detectar este entrelazamiento no es fácil porque no podemos observar los quarks directamente. Los quarks y antiquarks siempre deben estar 'confinados':emparejados o triplicados para formar partículas compuestas llamadas hadrones".
El enigma del confinamiento significa que, tan pronto como el quark y el antiquark emergen de la colisión, inmediatamente comienzan a ceder su energía al vacío circundante. Esa energía genera nuevos pares quark-antiquark:una cascada o chorro de hadrones unidos para cada partícula inicial.
Los modelos tradicionales de producción de chorros dan descripciones probabilísticas de las partículas que forman los chorros en tres dimensiones. Buscar correlaciones uno a uno de una partícula particular en un chorro con una partícula en el otro sería un enorme desafío.
"Antes de la computación cuántica, ni siquiera sabíamos cómo abordar esto", afirmó Florio.
Pero simulando las partículas mediante qubits, las unidades fundamentales de la computación cuántica, los científicos pudieron comprobar si los qubits que representan puntos individuales en el espacio y el tiempo estaban entrelazados. Además, utilizaron un marco teórico más simple que redujo la complejidad de los chorros a solo dos dimensiones:una dimensión espacial más el tiempo.
"Dado que el quark y el antiquark se producen a energías muy altas, se mueven en línea recta como balas en el vacío cuántico", dijo Florio. "Simplemente buscamos correlaciones entre qubits que representan partículas a lo largo de esa trayectoria recta a lo largo del tiempo".
Los cálculos fueron diseñados en colaboración con Kwang Min Yu de la Iniciativa de Ciencia Computacional (CSI) del Brookhaven Lab para mostrar si la "entropía de entrelazamiento" de un hadrón en un punto particular de la trayectoria de un chorro estaba correlacionada con la entropía de entrelazamiento de un hadrón en el punto correspondiente. punto en el jet opuesto.
"La entropía es una medida de incertidumbre", explicó Kharzeev. "Cuando tienes mucho caos e incertidumbre en tu vida, tu vida tiene una gran cantidad de entropía". Los estados cuánticos puros, por el contrario, tienen una entropía de entrelazamiento nula. "En estos estados, todo está bajo control. Uno sabe exactamente en qué estado se encuentra, por lo que no hay incertidumbre", afirmó.
Pero si dos estados cuánticos puros (partículas o qubits) se entrelazan, "si haces algo en uno, entonces algo sucederá en el otro", explicó. "Esto significa que si mido sólo uno, no poseo información completa sobre él porque parte de su estado está controlado por otro estado cuántico al que no tengo acceso. Habrá cierta incertidumbre sobre sus propiedades y comportamiento". El valor de entropía no será cero.
"Es como si estuvieras en una relación cercana con alguien, y cualquier cosa que esa persona haga te afecta a ti y viceversa. Esto significa que no tienes el control total de lo que está sucediendo. Esto es lo mismo en el nivel cuántico". dijo Kharzeev.
Para detectar estos entrelazamientos, los científicos buscaron correlaciones entre qubits que representan partículas a distintas distancias del punto de colisión. Kharzeev comparó los cálculos con tirar dados y medir la probabilidad de que al lanzar un determinado número en uno se produzca el mismo número en el otro.
"Con las partículas se determina si una partícula producida en un punto del espacio corresponde a otra en el mismo punto del espacio en el lado opuesto de la colisión. Si coinciden una vez, podría ser una coincidencia. Pero si arrojas las Si "dices" un millón de veces estudiando millones de eventos, y siempre te muestran resultados idénticos, entonces sabes que estas partículas están correlacionadas o entrelazadas", dijo.
Los científicos descubrieron que las correlaciones cuánticas entre los hadrones simulados existen y son bastante fuertes. "Pero en nuestras simulaciones vemos que las correlaciones desaparecen si la separación entre las partículas secundarias es grande", afirmó.
Los hallazgos proporcionan una base para probar si el entrelazamiento persiste y desaparece a medida que aumenta la distancia en experimentos en el RHIC, el LHC y el futuro EIC.
Aunque los científicos escribieron sus simulaciones utilizando código cuántico, ejecutaron los cálculos en una supercomputadora clásica en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética (NERSC) en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE.
"Por ahora, se pueden obtener resultados muy significativos para una pequeña cantidad de qubits, simulando su comportamiento en una computadora clásica", explicó Yu de CSI.
Kharzeev y Yu están trabajando con colaboradores de NVIDIA, la empresa que desarrolló originalmente las unidades de procesamiento de gráficos (GPU) utilizadas en las supercomputadoras más potentes de la actualidad, para hacer que las computadoras clásicas sean aún más adecuadas para ejecutar simulaciones cuánticas.
"Se pueden reorganizar las puertas cuánticas para optimizarlas y realizar simulaciones cuánticas", dijo Yu.
Pero incluso estas computadoras clásicas optimizadas eventualmente alcanzarán su punto máximo cuando crezca la cantidad de qubits necesarios para las simulaciones, como debe ser el caso para rastrear la evolución de los jets durante períodos más largos en distancias mayores, por ejemplo.
Se están realizando muchos esfuerzos para mejorar el rendimiento de las computadoras cuánticas, particularmente para mejorar la mitigación de errores. Kharzeev participa en este trabajo como parte del Centro de Codiseño para Quantum Advantage (C 2 QA), un centro de investigación nacional de ciencia de la información cuántica (QIS) dirigido por Brookhaven Lab.
"Mucha gente está trabajando para resolver los desafíos que plantea la construcción de ordenadores cuánticos", afirmó Kharzeev. "Estoy seguro de que, en un futuro próximo, podremos ejecutar una amplia variedad de simulaciones cuánticas más complejas en estas máquinas de próxima generación, utilizando el conocimiento que ya hemos adquirido sobre las interacciones cuánticas para explorar más a fondo el comportamiento de las partículas cuánticas que componen nuestro mundo."
Más información: Adrien Florio et al, Dinámica no perturbativa en tiempo real de la producción de aviones en el modelo de Schwinger:entrelazamiento cuántico y modificación del vacío, Cartas de revisión física (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.021902
Información de la revista: Cartas de revisión física
Proporcionado por el Laboratorio Nacional Brookhaven
