Entrelazamiento de la física cuántica y de partículas

Un equipo internacional de investigadores teóricos proporciona una visión general exhaustiva de la física cuántica y su introducción a la física nuclear y de partículas.

Durante las últimas décadas, se progresado enormemente en el aislamiento y manipulación de los sistemas cuánticos individuales y en el estudio en profundidad los fenómenos cuánticos de muchos cuerpos, logrando resultados y logros significativos en el campo de la física cuántica.

Constituidos como uno de los pilares de las tecnologías cuánticas, los simuladores cuánticos se consideran una rama específica de la computación cuántica. Mientras que la computación cuántica se ocupa de problemas de procesamiento informático más generalizados, los simuladores cuánticos tienden a abordar problemas concretos para encontrar soluciones específicas.

A día de hoy, los simuladores cuánticos ofrecen la posibilidad de recopilar información sobre la comprensión y la simulación de sistemas de muchos cuerpos. Esta información es útil en el estudio de la materia condensada o en la física de altas energías, aprendiendo sobre sistemas cuánticos complejos, campos de estudio donde o bien no se pueden realizar experimentos o no se pueden abordarse utilizando métodos analíticos o numéricos estándar. Para estudiar los sistemas de muchos cuerpos, estos simuladores utilizan circuitos superconductores, átomos ultra fríos, iones atrapados, átomos de Rydberg o sistemas fotónicos, entre otros, para imitarlos con el fin de entenderlos y poder describirlos y modelarlos.

En una revisión reciente publicada en Philosophical Transactions A, un equipo de investigadores del ICFO y el ICCUB-Universidad de Barcelona, Ludwig Maximilians University, Universidad Complutense de Madrid, Jagiellonian University, Adam Mickiewicz University, Swansea University, Universität Heidelberg, Johannes Gutenberg-Universität, Vilnius University, Capital Normal University, Forschungszentrum Jülich, Universidad de Colonia, UAM/CSIC, , ​​SISSA, Universidad de Innsbruck, IQOQI y la Universidad Hebrea de Jerusalén, se han unido para brindar una descripción general de las simulaciones cuánticas de la teoría de campo de gauge. Esta revisión enriquece la comprensión general de la física cuántica de muchos cuerpos, profundizando en el mundo de la física nuclear y de partículas. También describe en qué punto se encuentran estos campos de estudio y cuáles son las perspectivas de futuro de sus aplicaciones.

Más importante aún, los investigadores aportan a esta revisión un enfoque novedoso de las teorías del campo de red cristalina – lattice gauge theory – al tomar los modelos teóricos más utilizados en la teoría de campo de gauge y reemplazar su materia fermiónica (electrones, protones, neutrones, etc.) con materia bosónica (fotones, mesones, etc.), ya que los teóricos han llegado a ver que estos últimos elementos son más accesibles y fáciles de manipular para la experimentación.

En el artículo, se señalan logros recientes al revisar el modelo bosónico de Schwinger y el uso de átomos ultra fríos para explorar fenómenos correlacionados con la materia condensada y la física de altas energías. También se centran en los avances que se han producido últimamente en el campo de los simuladores cuánticos, y las diferentes plataformas utilizadas en los experimentos de laboratorio para estudiar la dinámica de muchas partículas aisladas en tiempo real, como iones atrapados, átomos ultra fríos o qubits superconductores.

Como señala el Prof. ICREA en ICFO Maciej Lewenstein,

“Emplear sistemas atómicos como átomos ultra fríos en redes ópticas, permite el estudio en el laboratorio de una enorme variedad de modelos paradigmáticos de la física de la materia condensada y de altas energías. Esto está convirtiendo la idea de Feynman de un simulador cuántico en una realidad”