Una computadora cuántica transporta a los físicos al momento del nacimiento del Universo

Un equipo de físicos llevó a cabo un experimento sin precedentes utilizando computadoras cuánticas de IBM para simular el proceso de creación de partículas en un Universo en expansión. Los resultados, publicados en la revista Scientific Reports, demuestran el potencial de la simulación cuántica digital en el estudio de la teoría de campos en un espacio-tiempo curvado (QFTCS).

Los científicos han intentado durante años formular una teoría que unifique la mecánica cuántica y la gravedad. Aunque esto aún no se ha logrado, han encontrado formas de investigar fenómenos cósmicos sin necesidad de tal unificación. Desarrollaron un enfoque en el que el espacio sigue las reglas de la teoría de la relatividad de Einstein, mientras que todo lo que contiene obedece a las leyes de la mecánica cuántica.

Este método ha permitido predecir teóricamente varios fenómenos importantes, como la radiación emitida por los agujeros negros (radiación de Hawking) y la creación de partículas en un Universo en expansión. Sin embargo, verificar estas predicciones mediante experimentos directos ha sido un desafío. Hasta ahora, solo se han podido reproducir condiciones similares en laboratorios, por ejemplo, en gases ultrafríos conocidos como condensados de Bose-Einstein. Pero ahora, las computadoras cuánticas podrían cambiar el panorama.

Las computadoras cuánticas todavía están en una fase temprana de desarrollo y presentan tres limitaciones principales: son extremadamente sensibles a interferencias externas, cuentan con un número reducido de cúbits y están limitadas por las capacidades actuales del hardware. A pesar de estas deficiencias, ya son capaces de resolver problemas complejos de optimización y mejorar el aprendizaje automático.

Para mitigar los errores en los cálculos cuánticos, los científicos han desarrollado códigos de corrección de errores. En teoría, estos códigos funcionan bien, pero presentan un problema: para crear un solo cúbit fiable y resistente al ruido, se necesitan combinar múltiples cúbits físicos. Dado que las computadoras cuánticas actuales solo cuentan con decenas o cientos de cúbits, este enfoque sigue siendo inviable.

Por ello, los investigadores adoptaron otra estrategia. En lugar de eliminar por completo los errores, decidieron aprender a predecirlos. Analizando cómo las interferencias afectan los resultados de los cálculos, los físicos pueden determinar matemáticamente cuáles serían los valores correctos en condiciones ideales.

"Usamos solo cuatro cúbits, uno para cada posible estado del campo", explica Marco Díaz Maceda, doctorando en la Universidad Autónoma de Madrid y autor principal del estudio. "Sin embargo, nuestro esquema requería una gran cantidad de puertas cuánticas, lo que generó una acumulación de errores durante la ejecución. Para obtener resultados fiables, aplicamos técnicas de mitigación de errores que mejoraron significativamente la precisión de los cálculos".

Por lo general, los físicos estudian el comportamiento de las partículas en un espacio "plano" de Minkowski. Sin embargo, en un Universo en expansión rigen otras leyes. A medida que el espacio se expande, incluso en el vacío absoluto (el estado sin partículas), nuevas partículas pueden aparecer espontáneamente. Según los científicos, este proceso ocurrió en las primeras etapas de la existencia del Universo.

Para recrear este fenómeno, los investigadores diseñaron un modelo matemático del espacio-tiempo en expansión basado en la métrica de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker. Con esta herramienta, describieron cómo se comporta un campo cuántico a medida que el Universo se expande y emplearon transformaciones de Bogoliubov para calcular la aparición de nuevas partículas.

El experimento se llevó a cabo en el procesador cuántico IBM Eagle de 127 cúbits. Primero, los científicos crearon un modelo de un Universo "vacío", es decir, un estado sin partículas. "Diseñamos un esquema que muestra cómo debe evolucionar el sistema con el tiempo. Para ello, conectamos el estado inicial y el estado final mediante transformaciones matemáticas específicas", explica Maceda.

Los investigadores encontraron una manera de traducir los estados del campo cuántico al lenguaje de los cúbits. Cada cúbit representaba uno de los cuatro niveles de energía posibles en el sistema: la ausencia de partículas, la aparición de una partícula en uno de dos modos o en ambos simultáneamente.

Para lograr que los cúbits interactuaran correctamente entre sí, fueron necesarias cientos de operaciones cuánticas. Para combatir los errores, los físicos idearon un método innovador: introdujeron deliberadamente interferencias en el sistema, midieron su impacto en los resultados y luego calcularon matemáticamente cuáles habrían sido los valores sin la presencia de ruido.

La simulación confirmó las predicciones teóricas sobre la creación de partículas en un Universo en expansión. Aunque los resultados fueron más "ruidosos" que los obtenidos en cálculos teóricos, el experimento demostró que procesos cosmológicos tan complejos pueden estudiarse mediante computación cuántica. Además, la técnica de mitigación de errores mejoró significativamente la precisión de los resultados.

Según el equipo, las computadoras cuánticas están cobrando cada vez más importancia en la exploración del cosmos. "El doctor Sabin ya las ha utilizado para investigar cómo la gravedad afecta el entrelazamiento cuántico, cómo se evaporan los agujeros negros y cómo funcionan las relaciones de causalidad en el Universo", añade Maceda.