Desarrollan simuladores cuánticos para el estudio de sistemas físicos inaccesibles

Los simuladores cuánticos recrean el comportamiento a escala microscópica de sistemas biológicos, cuánticos, e incluso de partículas en movimiento a la velocidad de la luz. El conocimiento exacto de estos sistemas dará lugar a aplicaciones, desde células fotovoltaicas más eficientes hasta fármacos más específicos. El grupo de investigación del Departamento de Química Física de la UPV/EHU trabaja en el diseño de varios de estos simuladores cuánticos para el estudio de la dinámica de sistemas físicos complejos.

La mecánica cuántica es la herramienta matemática que nos permite describir los procesos físicos que ocurren a escala microscópica; es capaz de predecir de forma satisfactoria la estabilidad de átomos y moléculas, la reactividad de los diferentes compuestos químicos, o el resultado de la interacción entre radiación y materia. Todas ellas son situaciones que constituyen la base de nuestro mundo físico y que no encuentran explicación dentro del marco de la física clásica. "Los procesos físicos que ocurren a nivel cuántico obedecen a modelos matemáticos tan sofisticados que no pueden ser analizados mediante los ordenadores actuales, debido a las limitaciones computacionales de éstos", explica el doctor Jorge Casanova, investigador del Departamento de Química Física de la UPV/EHU. Una posible solución al problema de la complejidad computacional de los sistemas físicos consiste en utilizar una plataforma o tecnología cuántica como simulador.

Los simuladores cuánticos son sistemas capaces de reproducir la dinámica de un sistema físico determinado, superando la limitación de los ordenadores convencionales. Entre las diferentes tecnologías a estudiar para el desarrollo de simuladores cuánticos eficientes, este grupo de investigación de la UPV/EHU se ha centrado en la tecnología de iones atrapados. "Esencialmente, el funcionamiento de estos sistemas consiste en aislar átomos individuales en un entorno controlado, de forma que no exista ninguna interferencia con el entorno. Posteriormente, se incide en ellos mediante láseres, y se consigue realizar operaciones, como excitar o desexcitar los electrones de esos átomos. De esta forma, se les hace comportarse como el sistema que queremos estudiar", detalla Casanova, autor principal del trabajo.

Basándose en esta tecnología de iones atrapados, Casanova y sus colaboradores han diseñado varios protocolos para el desarrollo de simulaciones cuánticas controladas. "Nosotros somos físicos teóricos; trabajamos diseñando los procesos que posteriormente sucederán en un experimento determinado. Nos basamos en las leyes de la mecánica cuántica, que son las que rigen esos sistemas, y proponemos ideas que posteriormente son verificadas en los laboratorios con los que trabajamos en colaboración", explica el investigador.

Simuladores para diversas situaciones físicas

En el transcurso de la investigación, el equipo de la UPV/EHU ha diseñado protocolos de simulación cuántica para varias situaciones físicas. El primero fue un simulador de sistemas relativistas, es decir, de partículas que se mueven a velocidades cercanas a la de la luz. "Este experimento no es trivial, porque los iones utilizados están quietos, y sin embargo, conseguimos que se comportasen como si estuvieran moviéndose a la velocidad de la luz". El experimento planteado por este grupo del Departamento de Química Física se llevó a cabo en Austria, "y tuvo bastante repercusión internacional, porque, hasta el momento, este ha sido el experimento en el que se ha conseguido el mayor nivel de control cuántico sobre los estados de movimiento iónicos a nivel mundial", comenta Casanova.

Tras el éxito obtenido, siguieron proponiendo simuladores cuánticos para otro tipo de sistemas, como los sistemas de fermiones y bosones en interacción. "Esto es muy importante", señala Casanova, porque en la naturaleza esencialmente existen dos tipos de partículas: unas son fermiones (en los átomos, por ejemplo, los electrones) y las otras son bosones (los fotones o partículas de luz, o el bosón de Higgs). "Nuestra idea fue diseñar el sistema en estudio de forma artificial, de manera que tengamos acceso a extraer la información de él. El problema de estos sistemas es que sus dinámicas son tan complejas que no se puede tener acceso a ellas a través de los cómputos realizados en ordenadores clásicos, es decir; conocemos bien las ecuaciones que describen su dinámica, pero no podemos resolverlas", comenta.

Más adelante plantearon otros dos tipos de simuladores. Por un lado, diseñaron simuladores de modelos de teoría cuántica de campos. Estas teorías "son las que describen los procesos más fundamentales, como las colisiones entre haces de partículas que suceden en los aceleradores, que también son muy complejas", aclara Casanova. Y, por otro, se centraron en la simulación de modelos de química cuántica, "esta es una propuesta que tenemos en colaboración con el personal de investigación de la Universidad de Harvard (EEUU), allí diseñamos un protocolo específico para modelos de moléculas de química cuántica". También propusieron la fusión de un simulador cuántico con un ordenador cuántico, "un nuevo concepto para aumentar la versatilidad de las simulaciones cuánticas; lo que hicimos fue crear un marco matemático que dota a los simuladores con el acceso a un mayor número de tareas".

Casanova explica el interés, desde el punto de vista tecnológico, de todos estos simuladores cuánticos: "Toda la industria farmacéutica, la industria química y de materiales, e incluso la energética busca diseñar moléculas que sean más eficientes para una determinada función. Por ejemplo, las células fotovoltaicas, las que utilizamos para captar la energía solar, actualmente solo atrapan el 20% de la energía que les llega. Entonces, un modelo de moléculas más eficientes en la captura de energía solar incrementaría el aprovechamiento energético de esas células fotovoltaicas. Para eso debes ser capaz de diseñar moléculas, y saber cómo se van a comportar.

"Yo creo que en un periodo de unos 5-10 años seremos capaces de diseñar moléculas específicas para determinados procesos, como la captura de energía solar, o incluso para diseñar materiales y medicamentos. En el momento en que seamos capaces de entender sistemas complejos, seremos capaces de predecir su comportamiento, y de diseñar nueva tecnología basada en ese conocimiento".

Información complementaria:

El presente estudio ha sido realizado en el marco de la tesis doctoral de Jorge Casanova Marcos, bajo la dirección de Enrique Solano, profesor Ikerbasque en el Departamento de Química Física de la UPV/EHU. Los procedimientos experimentales de los protocolos de simulación cuántica desarrollados por el grupo de investigación se han llevado a cabo en laboratorios europeos con los que el Departamento de Química Física de la UPV/EHU mantiene colaboración. Entre los colaboradores internacionales más cercanos cabe destacar los grupos de investigación de la Universidad de Harvard (EEUU), la Universidad de Innsbruck (Austria), el Instituto Walther-Meissner (Alemania), la Universidad de Tsinghua (China), y de la Universidad de Queensland (Australia).

Esta tesis ha dado lugar a 19 publicaciones en revistas científicas internacionales. Entre ellas podemos destacar 7 artículos en la revista Physical Review Letters, considerada la revista de Física más prestigiosa a nivel mundial.