Un estudio reciente publicado en Scientific Reports ha simulado la creación de partículas en un universo en expansión utilizando computadoras cuánticas de IBM. Esta investigación representa un avance significativo en la simulación digital de la teoría cuántica de campos en un espacio-tiempo curvado (QFTCS).
A pesar de que los intentos por desarrollar una teoría cuántica completa de la gravedad no han tenido éxito, existen enfoques alternativos para explorar y explicar eventos cosmológicos. La QFTCS considera el espacio-tiempo como un fondo clásico descrito por la teoría de la relatividad general, mientras que trata los campos de materia y fuerza de manera cuántica. Esto permite a los físicos estudiar los efectos cuánticos en un «espacio-tiempo curvado» sin requerir una teoría completa de la gravedad cuántica.
Esta teoría semiclásica ya ha predicho fenómenos como la radiación de Hawking proveniente de agujeros negros y la creación de partículas en espacios-tiempo en expansión. Sin embargo, validar estas predicciones experimentalmente ha resultado complicado.
Simulación Cuántica y Mitigación de Errores
En la actualidad, en la era de los «quantum intermedios ruidosos» (NISQ), las computadoras cuánticas presentan tres características principales. Una de ellas es el ruido, que afecta a los qubits y compuertas cuánticas, limitando su eficacia en aplicaciones complejas. Este ruido se convierte en un obstáculo significativo debido a las limitaciones de hardware, ya que estas máquinas cuentan con decenas o pocos cientos de qubits.
Si bien se han teorizado códigos de corrección de errores cuánticos (QECC), su implementación resulta complicada porque requieren muchos qubits físicos para crear un solo qubit lógico, lo que los hace poco prácticos en el contexto actual. En este estudio, los investigadores optaron por la mitigación de errores en lugar de la corrección. Esta técnica se basa en comprender cómo los errores del sistema se escalan con el ruido, permitiendo a los científicos estimar los resultados libres de errores.
Marco Díaz Maceda, autor principal del estudio y estudiante de posgrado en la Universidad Autónoma de Madrid, señaló la importancia de estas técnicas para la investigación en física. Utilizando solo cuatro qubits, el equipo logró aplicar métodos de mitigación de errores que mejoraron la fidelidad de sus cálculos.
La investigación simuló la creación de partículas en un espacio-tiempo curvado, empleando el métrico de Friedman-Lemaître-Robertson-Walker (FLRW) para describir cómo el espacio-tiempo se expande de manera homogénea e isotrópica. Para ello, consideraron un campo escalar masivo que evoluciona conforme a la ecuación de Klein-Gordon modificada, adecuándose a este contexto.
Finalmente, para describir el proceso de creación de partículas, los investigadores utilizaron las transformaciones de Bogoliubov, que permiten calcular cuántas partículas se crearían en espacios-tiempo cambiantes. Al implementar este proceso mediante un circuito cuántico en el procesador Eagle de 127 qubits de IBM, los investigadores lograron simular el estado inicial del universo en un estado de vacío, que posteriormente evolucionó a través de cientos de compuertas cuánticas.
Los resultados obtenidos demostraron la viabilidad de utilizar simulaciones cuánticas digitales para investigar fenómenos cosmológicos, ofreciendo nuevos conocimientos sobre los procesos fundamentales que moldean el cosmos. Maceda concluyó que su trabajo proporciona una nueva vía para simular la creación de partículas en el universo primitivo, lo que contribuirá a una mejor comprensión de estos fenómenos.
En un contexto donde la investigación científica es esencial para el avance de la sociedad, la convergencia entre la computación cuántica y la cosmología puede abrir nuevas oportunidades para desentrañar los misterios del universo.
