Investigadores del Duke Quantum Center (DQC) han utilizado un simulador cuántico para observar la dinámica de ruptura de cuerdas vinculada a la formación de partículas y antipartículas, marcando una de las primeras demostraciones de este tipo en física cuántica. El trabajo, publicado el 23 de septiembre en Nature Physics, sugiere que las computadoras cuánticas de iones atrapados podrían eventualmente servir como herramientas poderosas para sondear las preguntas más profundas de la física fundamental. El experimento simuló la ruptura de cuerdas: dos bloques constituyentes de materia conectados se separan hasta que se acumula suficiente energía como para que nuevas partículas efectivamente "surjan de la nada" cuando la conexión se rompe.

"Las simulaciones con computadoras cuánticas proporcionan la mejor plataforma para investigar preguntas complejas como la formación de materia, a falta de haber presenciado el Big Bang mismo", dijo Christopher Monroe, profesor distinguido presidencial de la Familia Gilhuly en Ingeniería Eléctrica y Computación y Física en Duke, quien lideró la investigación. "Estos hallazgos señalan un desarrollo notable en el campo de la ciencia cuántica y abren nuevas vías para que entendamos la dinámica de la ruptura de cuerdas".

El estudio fue una colaboración internacional que incluyó a investigadores de la Universidad de Maryland (UMD), la Universidad de Oxford, el Instituto de Tecnología de California, la Universidad de Cornell y la KU Leuven. Los hallazgos aparecen junto a otros dos estudios publicados recientemente por equipos separados que reprodujeron física similar utilizando hardware de computación cuántica diferente.

Los quarks están entre los bloques constituyentes más fundamentales conocidos de la materia. Viven dentro de partículas como los protones y los neutrones y son aproximadamente mil millones de veces más pequeños que un átomo. Los científicos no pueden observar quarks aislados directamente porque los quarks normalmente permanecen fuertemente unidos. Imaginen dos diminutas partículas cargadas conectadas por una cuerda tensamente estirada: cuanto más se separan, más energía se almacena en la conexión. Eventualmente, se puede acumular suficiente energía para crear partículas cargadas adicionales, porque masa y energía están relacionadas mediante la famosa E=mc2 de Einstein. En lugar de terminar con un par separado, la conexión original se rompe y se forman nuevos pares de partículas. Tales procesos requieren una energía enorme y normalmente ocurren solo bajo condiciones extremas, como las del interior del Gran Colisionador de Hadrones o las que se cree que existieron poco después del Big Bang.

En el nuevo experimento, el equipo liderado por Duke reprodujo un comportamiento análogo de ruptura de cuerdas utilizando una plataforma cuántica de iones atrapados. Los simuladores cuánticos son especialmente útiles aquí porque los investigadores pueden controlarlos y programarlos con precisión para imitar procesos a escalas atómicas y subatómicas.

"Trabajar en la intersección de la simulación cuántica y la física de altas energías es increíblemente emocionante", dijo Arinjoy De, primer autor del artículo, ex estudiante de doctorado en el laboratorio de Monroe y ahora líder de máquina de producción en QuEra Computing. "Al simular el confinamiento de quarks y los fenómenos de ruptura de cuerdas en un entorno de laboratorio controlado, estamos abriendo nuevas vías para investigaciones experimentales sobre el comportamiento de la materia en su nivel más fundamental".

Para construir la simulación, los investigadores codificaron un modelo de ruptura de cuerdas en una cadena de 13 iones atrapados. Haces de láser cuidadosamente controlados ajustaron cómo interactuaban los iones entre sí. Esas interacciones permitieron al equipo controlar la energía del sistema de una manera que reprodujo el estiramiento y la eventual ruptura de una cuerda similar a una partícula. Los investigadores prepararon el sistema en un estado fuera de equilibrio y siguieron cómo cambiaba con el tiempo, detectando la aparición de cargas efectivas y reconstruyendo la dinámica asociada con la ruptura de cuerdas simulada. Para verificar los resultados, el equipo también modeló el mismo proceso en una computadora clásica, y los cálculos clásicos coincidieron con los resultados experimentales del simulador cuántico.

Para simulaciones a esta escala relativamente pequeña, las computadoras clásicas todavía pueden hacer los cálculos. Los investigadores esperan que a medida que los experimentos futuros crezcan en tamaño y complejidad...