Un equipo científico europeo ha logrado recrear por primera vez un universo en estado de falso vacío mediante un annealer cuántico, un tipo especializado de ordenador diseñado para resolver problemas de optimización. La investigación abre nuevas vías para explorar fenómenos fundamentales del cosmos desde la física teórica.
Investigadores de tres países europeos han publicado un estudio en el que afirman haber obtenido información valiosa sobre la desintegración del falso vacío, un proceso vinculado al origen del cosmos y al comportamiento de las partículas a escalas muy pequeñas.
Según los científicos de la Universidad de Leeds (Reino Unido), el Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (ISTA) y el Centro de Supercomputación de Jülich (Alemania), esta primera simulación es un paso adelante en la comprensión de la dinámica cuántica. Entender la física fundamental del universo es complejo, dada su inmensidad, pero la computación cuántica puede ayudar a desentrañar las leyes que lo rigen.
En ese sentido, el autor principal del estudio, Zlatko Papic, catedrático de Física Teórica en Leeds, señala que este tipo de experimentos controlados son importantes para comprender la estructura y los procesos del universo, y así determinar sus escalas temporales.
“Es emocionante contar con estas nuevas herramientas que podrían servir como un laboratorio práctico para comprender los procesos dinámicos fundamentales del universo”, indica Papic.
Los investigadores de los tres centros utilizaron un sistema con 5564 cúbits —los componentes básicos de la computación cuántica— para imitar las propiedades de un universo metaestable y analizar cómo estas variaban en un modelo unidimensional.
El experimento se llevó a cabo gracias a un annealer cuántico, una máquina desarrollada por D-Wave Quantum para resolver problemas complejos de optimización. Aunque emplea miles de cúbits, no se considera un ordenador cuántico universal, sino un dispositivo especializado cuya arquitectura está diseñada para encontrar soluciones óptimas dentro de espacios de posibilidad muy grandes.
El equipo se propuso estudiar un modelo del universo sencillo dadas las limitaciones técnicas de la computación cuántica
“Estamos intentando desarrollar sistemas que nos permitan realizar experimentos sencillos para estudiar este tipo de cosas. El uso del annealer nos permite observarlos en tiempo real, de modo que podemos ver realmente qué está sucediendo”, explica Papic.
Por otro lado, "al aprovechar las capacidades de la cuántica, nuestro equipo ha abierto la puerta al estudio de sistemas cuánticos de no equilibrio y transiciones de fase que de otro modo serían difíciles de explorar con los métodos informáticos tradicionales", indica Jaka Vodeb, del Centro de Supercomputación de Jülich,
Hace aproximadamente 50 años, se propuso un modelo en la teoría cuántica de campos según el cual el cosmos podría estar contenido en un falso vacío. Esto supondría que, pese a aparentar estabilidad, su energía podría decaer y transitar hacia una fase estable definitiva.
En física se conoce a esta fase como metaestabilidad, y durante la transición al estado final, los expertos apuntan que la estructura del universo sufriría un cambio catastrófico. Predecir cuándo ocurrirá es complejo, pero se cree que probablemente suceda en un periodo astronómicamente largo, de millones de años.
La estructura del modelo se basa en la interacción de burbujas, similares a las que se forman en el vapor de agua enfriado por debajo de su punto de condensación. Su formación y propagación serían el desencadenante que rompería ese estado de falso vacío, es decir, de falsa estabilidad.
Ahora, la simulación cuántica ha permitido a los científicos observar la intrincada ‘danza’ de las burbujas en tiempo real. Las observaciones revelaron que la dinámica no consiste en eventos aislados, sino en interacciones complejas, incluyendo cómo las burbujas más pequeñas pueden influir en las más grandes.
Los resultados han sido publicados en la revista Nature Physics, donde el equipo afirma que sus hallazgos ofrecen nuevas perspectivas sobre cómo pudieron haber ocurrido estas transiciones poco después del Big Bang.
El estudio se ha realizado con un modelo simple de un universo unidimensional. Para alcanzar las tres dimensiones, se necesitarían muchas más extensiones cuánticas aún no disponibles. Además, el Modelo Estándar Universal es más complejo e involucra partículas y campos de gauge que no están presentes en el modelo de metaestabilidad.
“Los dispositivos cuánticos no simulan directamente el universo, sino solo su modelo simplificado, que puede describirse en términos de cúbits y puertas cuánticas que operan sobre ellos. Estos modelos deben ser lo suficientemente simples para poder codificarse eficientemente en términos de cúbits”, señala Zlatko Papic, a SINC.
Nuestra simulación reproduce un modelo básico, un toy model, pero permite observar fenómenos imposibles de estudiar directamente en el universo real por las escalas de tiempo astronómicas implicadas
En este sentido Papic explica: “Nuestra simulación se basa en un modelo muy básico, lo que en física llamamos un toy model —una representación simplificada que no reproduce el universo real, pero permite estudiar dinámicas esenciales de forma controlada. Estos experimentos no son posibles en el universo real debido a las escalas astronómicas que implican”.
El investigador subraya que “las simulaciones cuánticas para el modelo estándar son mucho más desafiantes, algo que queda pendiente para futuros trabajos que, con suerte, tendrán implicaciones más directas en las teorías ‘verdaderas’ que rigen nuestro universo”.
No obstante, los autores opinan que sus hallazgos demuestran que comprender el origen y el destino del universo no siempre requiere experimentos multimillonarios en instalaciones especializadas de alta energía, como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN.
“Este tipo de experimentos y los realizados por el CERN definitivamente son complementarios, ya que tienen objetivos y alcances completamente diferentes. Esto también se refleja en el término ‘simulación cuántica’, que implica que se enfocan en un modelo simplificado de fenómenos físicos, en lugar de la realidad física en sí misma”, concluye Papic.
Las simulaciones cuánticas pueden ayudar a comprender mejor la estructura y evolución del universo. Los fenómenos cosmológicos se desarrollan a lo largo de escalas de tiempo astronómicas —de miles de millones de años— y solo pueden observarse.
Sin embargo, agrega Papic, “las simulaciones cuánticas permiten manipular directamente el sistema bajo estudio, por ejemplo, investigar qué sucede si se ajustan ligeramente ciertos parámetros, así como inducir dinámicas que podrían no ocurrir en circunstancias normales”.
Según los autores, las implicaciones prácticas de este estudio también comprenden la mejora de la eficiencia de esta tecnología, por ejemplo, en la gestión de errores o en la realización de cálculos complejos.
También destacan que el potencial de los ordenadores cuánticos podría extenderse a otras disciplinas ajenas a la física teórica.
“Estos avances no solo amplían los límites del conocimiento científico, sino que también allanan el camino para futuras tecnologías que podrían revolucionar campos como la criptografía, la ciencia de los materiales y la informática energéticamente eficiente”, concluye Vodeb.
Referencia:
Papic, Z. et. al. “Stirring the false vacuum via interacting quantized bubbles on a 5,564-qubit quantum annealer”. Nature Physics (2025)
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