Un simulador cuántico recrea cómo nace materia nueva a partir del vacío, un proceso propio del Big Bang

Un equipo liderado por el Duke Quantum Center ha observado, en un simulador cuántico, la dinámica de ruptura de cuerdas vinculada a la formación de pares partícula-antipartícula, un proceso que hasta ahora solo se había observado en colisionadores de partículas o en los primeros instantes tras el Big Bang. El resultado, publicado el 23 de septiembre en la revista Nature Physics, demuestra que los ordenadores cuánticos de iones atrapados pueden empezar a explorar preguntas fundamentales sobre el universo que son extremadamente difíciles de calcular por métodos clásicos.

Qué es la ruptura de cuerdas

Los quarks, las partículas fundamentales que forman protones y neutrones, no pueden separarse simplemente tirándolos en direcciones opuestas. Al intentar separarlos, la energía entre ellos se acumula en una especie de «cuerda» que se estira; si se sigue estirando lo suficiente, esa cuerda termina rompiéndose, y la energía liberada se convierte en nuevos pares de partícula y antipartícula, en lugar de permitir que los quarks originales queden libres por separado. Es una consecuencia directa del fenómeno conocido como confinamiento de quarks.

Cómo se recreó el proceso

En lugar de intentar recrear físicamente una cuerda de quarks reales, algo que requeriría las energías extremas de un colisionador de partículas o del propio Big Bang, el equipo de Duke construyó un sistema gobernado por las mismas ecuaciones matemáticas y observó qué le ocurría. Codificaron un modelo de ruptura de cuerdas en una cadena de 13 iones atrapados, usó interacciones controladas entre ellos para imitar el estiramiento y la eventual ruptura de una cuerda, y preparó el sistema en un estado fuera de equilibrio para seguir su evolución en el tiempo. Así lograron detectar la aparición de cargas efectivas y reconstruir la dinámica resultante de la ruptura de la cuerda simulada.

La validación: cálculos clásicos que coinciden

Un elemento importante del resultado es que los cálculos clásicos coincidieron con los resultados experimentales producidos por el simulador cuántico, lo que confirma que el dispositivo estaba reproduciendo correctamente la física esperada, al menos en el régimen donde ambos métodos son comparables.

Un matiz importante: no es el primer experimento de este tipo

Conviene contextualizar bien este logro. La ruptura de cuerdas se ha observado también en otras plataformas de simulación cuántica distintas, incluidos qubits superconductores, átomos de Rydberg y otros experimentos anteriores con iones atrapados, algunos de ellos publicados ya desde 2024. El propio resultado de Duke se suma a una caja de herramientas creciente en este campo, demostrando un control detallado sobre la dinámica de cuerdas fuera del equilibrio, más que representar la primera demostración absoluta del fenómeno.

Qué aportan este tipo de simuladores

El experimento no resuelve el problema calculando más rápido que un ordenador clásico, sino que demuestra cómo sistemas cuánticos controlables pueden reproducir características importantes de una física que se vuelve extremadamente difícil de calcular a medida que las partículas interactúan y se entrelazan entre sí. Es decir, no se trata de una calculadora más potente, sino de un sistema físico que se comporta según las mismas reglas que se quieren estudiar.

Por qué importa más allá de la física teórica

Según uno de los investigadores implicados en trabajos relacionados del laboratorio de Christopher Monroe, simular fenómenos de confinamiento de quarks y ruptura de cuerdas en un entorno de laboratorio controlado abre nuevas vías para investigaciones experimentales sobre el comportamiento de la materia en su nivel más fundamental. Son preguntas que hasta ahora solo podían abordarse con cálculos teóricos extremadamente costosos o con experimentos de altas energías imposibles de replicar en un laboratorio universitario convencional.

Qué implica en la práctica

• Para la física de altas energías: ofrece una vía de bajo coste relativo para explorar fenómenos que normalmente exigirían instalaciones como el Gran Colisionador de Hadrones.
• Para la computación cuántica: demuestra un nuevo caso de uso práctico para los ordenadores de iones atrapados, más allá de la computación de propósito general.
• Para la astrofísica: podría ayudar a estudiar procesos similares a los que ocurren en el interior de estrellas de neutrones o en los primeros instantes tras el Big Bang, sin necesidad de recrear esas condiciones extremas directamente.

Nuestra lectura

Lo más valioso de este resultado no es que sea absolutamente inédito, sino que se suma a un conjunto creciente de experimentos independientes, con distintas tecnologías de qubits, que convergen en la misma conclusión: los simuladores cuánticos ya son capaces de reproducir fenómenos de física de altas energías que antes solo existían en el papel o en instalaciones gigantescas. Cuantas más plataformas distintas logren observar el mismo fenómeno, más confianza gana la comunidad científica en que estas máquinas realmente están captando física real, y no artefactos específicos de una tecnología concreta.

Fuentes: Universidad de Duke, ScienceDaily y La Brújula Verde.