Sistema fisiko helezinak ikertzeko simulagailu kuantikoak garatu dituzte

Simulagailu kuantikoek sistema biologikoen, kuantikoen eta argiaren abiaduran mugitzen ari diren partikulen portaera berregiten dute, eskala mikroskopikoan. Sistema horiek zehatz mehatz ezagutzeak hainbat aplikazio emango ditu, hala nola zelula fotovoltaiko eraginkorragoak eta farmako espezifikoagoak. Sistema fisiko konplexuen dinamika ikertzeko simulagailu kuantikoak diseinatzen ari dira UPV/EHUko Kimika Fisikoaren Saileko ikertzaile batzuk.

Mekanika kuantikoaren bidez, eskala mikroskopikoan gertatzen diren prozesu fisikoak deskriba ditzakegu; haren bidez, atomo eta molekulen egonkortasuna, konposatu kimikoen erreaktibitatea eta erradiazioaren eta materiaren arteko elkarrekintzaren emaitza iragar ditzakegu, besteak beste. Egoera horiek guztiek gure mundu fisikoaren oinarria osatzen dute, eta ezin dira azaldu fisika klasikoaren esparruan. "Maila kuantikoan gertatzen diren prozesu fisikoak eredu matematiko oso sofistikatuei zor zaizkie, eta eredu horiek ezin dira ikertu gaur egungo ordenagailuekin, haien muga konputazionalak direla eta", azaldu du Jorge Casanova doktoreak, UPV/EHUko Kimika Fisikoaren Saileko ikertzaileak. Sistema fisiko horien konplexutasun konputazionalaren arazoarentzako konponbide posible bat izan daiteke plataforma edo teknologia kuantiko bat erabiltzea simulagailu gisa.

Simulagailu kuantikoak gai dira sistema fisiko jakin baten dinamika birsortzeko, ohiko ordenagailuen mugak gaindituta. Simulagailu kuantiko eraginkorrak garatzeko dauden teknologia guztien artean, ioiak harrapatzeko teknologian zentratu da UPV/EHUko ikertzaile-talde hau. "Funtsean, atomo bakanak ingurune kontrolatu batean isolatzean datza sistema horien funtzionamendua; hala, ez dago interferentziarik inguruarekin. Gero, laserren bidez, hainbat operazio egiten dira, hala nola atomo horien elektroiak kitzikatu edo deskitzikatu. Modu horretan, ikertu nahi dugun sistemak bezala joka dezan lortzen dugu", azaldu du Casanovak, lanaren egile nagusiak.

Ioi harrapatuen teknologia horretan oinarrituta, simulazio kuantiko kontrolatuak egiteko hainbat protokolo diseinatu dituzte Casanovak eta haren kolaboratzaileek. "Fisiko teorikoak gara gu; gero esperimentu jakin batean gertatuko diren prozesuak diseinatzen egiten dugu lan. Mekanika kuantikoaren legeetan oinarritzen gara, lege horiek arautzen baitituzte sistema hauek, eta ideiak proposatzen ditugu; gero, ideia horiek gurekin elkarlanean aritzen diren laborategietan egiaztatzen dira", azaldu du ikertzaileak.

Hainbat egoera fisikotarako simulagailuak

Ikerketan zehar, zenbait egoera fisikotarako simulazio kuantikoko protokoloak diseinatu ditu UPV/EHUko taldeak. Sistema erlatibisten simulagailu bat izan zen lehenengoa, hau da, argiaren abiaduraren antzekoan mugitzen diren partikulen simulagailu bat. "Ez da esperimentu hutsala; izan ere, erabilitako ioiak geldirik daude, eta, hala ere, argiaren abiaduran mugitzen ariko balira bezala joka dezaten lortzen dugu". Kimika Fisikoaren Saileko talde honek proposatutako esperimentua Austrian egin zen, "eta nahiko oihartzun handia izan zuen nazioartean, mundu osoan lehenengo aldiz lortu baitzuten mugimendu-egoera ionikoen kontrol kuantiko hain handia", azaldu du Casanovak.

Lortutako arrakastaren ondoren, beste mota bateko sistemetarako simulagailuak proposatzen jarraitu zuten, hala nola interakzioan dauden fermioien eta bosoien sistemetarako. "Oso garrantzitsua da pauso hori", azaldu du Casanovak. Izan ere, naturan bi motatako partikulak daude batez ere: fermioiak (atomoetan, adibidez, elektroiak) eta bosoiak (fotoiak edo argi-partikulak, edo Higgs-en bosoia). "Gure asmoa zen ikergai genuen sistema modu artifizialean diseinatzea, hartatik informazioa atera ahal izateko. Sistema horien arazoa da dinamika hain konplexuak dituztela ezen ezin dela haietara iritsi ordenagailu klasikoetan egindako eragiketen bidez. Hau da, ongi ezagutzen ditugu dinamika hori deskribatzen duten ekuazioak, baina ezin ditugu ebatzi".

Aurrerago, beste bi motatako simulagailuak proposatu zituzten. Alde batetik, eremu kuantikoen teorien ereduen simulagailuak diseinatu zituzten. Teoria horiek "prozesu oinarrizkoenak deskribatzen dituzte, hala nola azeleragailuetan gertatzen diren partikula-sorten arteko talkak -zeinak oso konplexuak baitira-", azaldu du Casanovak. Bestetik, kimika kuantikoko ereduen simulazioan zentratu ziren: "Proposamen horri Harvardeko Unibertsitateko ikertzaile batzuekin elkarlanean heldu diogu. Hain zuzen, kimika kuantikoko molekulen ereduetarako protokolo espezifiko bat diseinatu genuen han". Simulagailu kuantiko bat eta ordenagailu kuantiko bat elkartzea ere proposatu zuten han, "simulazio kuantikoen moldakortasuna handitzeko kontzeptu berri bat; esparru matematiko bat sortu genuen, simulagailuei lan gehiago egiteko aukera ematen diena".

Honela azaltzen du Casanovak simulagailu kuantiko horiek guztiek ikuspegi teknologikotik duten interesa: "Farmazia-industria osoa, industria kimikoa eta materialen industria, bai eta energia-industria ere, funtzio jakin baterako eraginkorragoak izango diren molekulak diseinatzen ari dira. Esate baterako, zelula fotovoltaikoek, eguzki-energia xurgatzeko erabiltzen ditugunek, iristen zaien energiaren % 20 bakarrik xurgatzen dute gaur egun. Bada, eguzki-energia xurgatzeko molekula eraginkorragoak izateak zelula fotovoltaikoen energia-aprobetxamendua handituko luke. Horretarako, gai izan behar dugu molekulak diseinatzeko, eta jakiteko nola jokatuko duten".

"Nik uste dut 5-10 urtean gai izango garela prozesu jakin batzuetako -hala nola eguzki-energia xurgatzeko- molekula espezifikoak garatzeko, bai eta material eta medikamentuak diseinatzeko ere. Sistema konplexuak ulertzera heltzen garenean, aurrez jakin ahal izango dugu nola jokatuko duten, eta jakintza horretan oinarritutako teknologia berria diseinatu ahal izango dugu".

Informazio osagarria:

Ikerketa hau Jorge Casanova Marcosen doktoretza-tesian kokatzen da. Tesia Enrique Solanok zuzendu du -Ikerbasque irakaslea da UPV/EHUko Kimika Fisikoaren Sailean-. Ikertzaileek garatutako simulazio kuantikoko protokoloen prozedura esperimentalak Europako hainbat laborategitan egin dira (UPV/EHUko Kimika Fisikoaren Sailaren kolaboratzaileak dira). Nazioarteko kolaboratzaileen artean, unibertsitate eta institutu hauetako ikertzaileak nabarmendu behar dira: Harvardeko Unibertsitatea (AEB), Innsbruckeko Unibertsitatea (Austria), Walther-Meissner institutua (Alemania), Tsinghua Unibertsitatea (Txina), eta Queenslandeko Unibertsitatea (Australia).

Tesi honen berri 19 argitalpenetan eman da, nazioarteko hainbat zientzia-aldizkaritan. Haien artean nabarmentzekoak dira Physical Review Letters aldizkarian -mundu mailako fisika-aldizkari entzutetsuenean- argitaratutako zazpi artikuluak.