Expertos en física cuántica en Bilbao han desarrollado un simulador cuántico que permite estudiar viajes en el tiempo, crear partículas más veloces que la luz, abrir la puerta a más dimensiones y, en definitiva, romper las normas más fundamentales de la física.
Por inverosímil que parezca, el equipo ha demostrado que la naturaleza puede “imitar” procesos que la propia naturaleza prohíbe. Y por esotérico que esto pueda sonar, este tipo de simulaciones cuánticas abren la puerta a aplicaciones muy reales, como acelerar la creación de ordenadores cuánticos millones de veces más potentes que el mayor de los superordenadores actuales o diseñar moléculas que no existen en la naturaleza y usarlas como nuevos fármacos.
Por inverosímil que parezca, el equipo ha demostrado que la naturaleza puede “imitar” procesos que la propia naturaleza prohíbe. Y por esotérico que esto pueda sonar, este tipo de simulaciones cuánticas abren la puerta a aplicaciones muy reales, como acelerar la creación de ordenadores cuánticos millones de veces más potentes que el mayor de los superordenadores actuales o diseñar moléculas que no existen en la naturaleza y usarlas como nuevos fármacos.
Todo comenzó en noviembre de 2009, a última hora de una tarde de viernes, en el grupo de investigación de Enrique Solano. Este físico cuántico, nacido en Perú y con nacionalidad española, y parte de su equipo se hicieron esta pregunta: ¿sería posible que la naturaleza pueda imitar cosas que contradicen sus propias leyes? La respuesta, publicada por primera vez en 2011 en Physical Review X, es que sí.
“Lo que conseguimos fue el equivalente a meter gol antes de chutar el balón”
Para comprender el alcance de su trabajo hay que hacer un viaje imaginario al mundo cuántico. La puerta de entrada a este mundo es unas cien millones de veces más pequeña que un centímetro y tras ella están las moléculas, los átomos y sus componentes más pequeños como los electrones. A estas escalas reinan las normas de la física cuántica que permiten, por ejemplo, que una partícula esté en dos sitios a la vez, y que, por lo tanto, pueda teletransportarse. En este mundo cuántico se espera encontrar gran parte de las tecnologías del mañana, nuevos materiales, moléculas, fármacos… El problema es que, en este mundo cuántico, explica Solano, un solo átomo de hidrógeno, el elemento más simple que existe, “tiene un número de variantes infinitas”. Esto hace que sea imposible estudiarlas a la vez ni con todos los superordenadores del mundo juntos.
Ahora, imagine cómo estudiar un nuevo material interesante para la electrónica de consumo, la energía o cualquier otro campo. Imagine que una molécula de ese material está hecha de cien átomos, cada uno con variantes infinitas, y confronte la realidad: es imposible. Ahí es donde entra la simulación cuántica. Esta técnica permite crear sistemas hechos de iones (átomos con carga eléctrica) o fotones que, gracias a las propias leyes de la física cuántica, imitan el comportamiento de esos materiales y moléculas imposibles de estudiar de forma directa.
Violar la relatividad de Einstein
La simulación cuántica ya comienza a dar los primeros resultados importantes. En 2012, el instituto que vela por que EEUU siga siendo una potencia mundial de la innovación y la industria en el futuro, el NIST, creó un simulador cuántico hecho de iones atrapados que permitió multiplicar por 10 la capacidad de cálculo de un ordenador cuántico, un importante salto en el desarrollo de estas tecnologías. Un año antes, el equipo de Solano, que es profesor Ikerbasque, publicó su estudio teórico en el que describía por primera vez cómo violar una de las leyes fundamentales de la física cuántica usando un simulador parecido al de EEUU. En 2013, otro trabajo suyo describió cómo usar ese dispositivo para violar la teoría de la relatividad especial de Einstein y estudiar partículas capaces de viajar al pasado. “Lo que conseguimos fue el equivalente a meter gol antes de chutar el balón, es decir, conseguir un efecto antes que la causa gracias a una partícula que viaja más rápido que la luz”, detalla Solano.
El físico compara sus simuladores con un “teatro cuántico”. Al igual que un actor que interpreta a Don Quijote sobre las tablas hace que se muere sin estar muerto, las partículas del simulador hacen que viajan más rápido que la luz, aunque no lo hagan en realidad.
Algunas de estas simulaciones teóricas ya han sido confirmadas en la práctica.Lo han demostrado otros físicos experimentales a partir de los estudios teóricos publicados por Solano desde 2011. Por ejemplo, el equipo de Alexander Szameit, usando un simulador cuántico de fotones en la Universidad de Jena (Alemania), acaba de confirmar que la propuesta de romper las leyes fundamentales de la física cuántica y estudiar partículas “no físicas” funciona en la práctica.
“Enrique fue el primero en el mundo que tuvo la idea y después nosotros creamos nuestra propia demostración práctica”, explica Szameit a Materia. En concreto su equipo usó fotones que, modificados, se comportan como otras partículas “imposibles” que normalmente se desechan al resolver la ecuación de Majorana, uno de los pilares de la física cuántica. Algunas soluciones “no físicas” de esa ecuación implican la existencia de dimensiones extras, algo que han defendido muchos físicos, incluido Stephen Hawking, pero que no hay forma de estudiar de forma directa. Por eso los simuladores cuánticos son tan interesantes.
“Uno no puede decir que esto sea física imposible porque algún día podríamos encontrar nuevas leyes naturales que permitan estos fenómenos”, explica Szameit. Él prefiere hablar de “fenómenos no físicos”.
Los simuladores ideados por Solano pueden tener importantes aplicaciones prácticas. Simular lo imposible requiere potentes algoritmos que después pueden usarse para mejorar, por ejemplo, la computación cuántica o explorar “propiedades de un material que sería inalcanzable con otros métodos”, resalta Solano. “Las simulaciones de fenómenos no físicos no son solo un juego de científicos, tienen un enorme potencial en un numerosas aplicaciones”, resalta Szameit, que augura que esta nueva técnica tendrá “un enorme impacto en la comunidad científica y muchos estudios de seguimiento”. El próximo bien podría ser la esperada confirmación de que las leyes de la relatividad de Einstein se pueden violar con un simulador cuántico como propuso Solano.
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