Los circuitos cuánticos se acercan al origen de la materia

La demostración de la semana pasada de una nueva clase de circuitos cuánticos escalables ha reavivado las esperanzas de que las computadoras cuánticas pronto aborden uno de los enigmas más difíciles de la cosmología: por qué el universo contiene mucha más materia que antimateria. El equipo experimental mostró cómo preparar el vacío de baja energía de una teoría cuántica de campos simple en más de 100 qubits y utilizó ese estado como trampolín para simulaciones dinámicas que son prohibitivamente difíciles en máquinas clásicas. Este avance no resuelve el origen de la materia por sí solo, pero proporciona un camino práctico hacia los tipos de cálculos en tiempo real que requieren las teorías de bariogénesis.

El trabajo presenta un marco algorítmico llamado SC-ADAPT-VQE —abreviatura de circuitos escalables ADAPT-VQE— y lo utiliza para preparar el estado de vacío del modelo de Schwinger en red (un análogo unidimensional de la electrodinámica cuántica) en 100 qubits de un procesador cuántico superconductor. Al explotar la localidad y el decaimiento exponencial de las correlaciones en estados fundamentales con brecha energética (gapped), los autores construyen un conjunto compacto de bloques de construcción de circuitos en sistemas pequeños utilizando computación clásica, y luego disponen esos bloques en mosaico para construir circuitos para registros mucho más grandes. Después de aplicar un novedoso paso de mitigación de errores, sus observables medidos coincidieron con simulaciones clásicas de alta precisión con una exactitud a nivel porcentual.

¿Por qué es importante un modelo de juguete?

A primera vista, el modelo de Schwinger —una versión en 1+1 dimensiones de la electrodinámica— parece alejado de la física completa y compleja del universo temprano. Pero captura varias características esenciales de la teoría cuántica de campos que lo convierten en un campo de pruebas útil: la producción de partículas a partir de campos fuertes, el comportamiento de tipo confinamiento y un condensado quiral cuyas dinámicas son sensibles a procesos topológicos y guiados por anomalías. Esos mismos fenómenos, en formas más complicadas, son fundamentales para muchos escenarios de bariogénesis que intentan explicar el diminuto exceso de bariones medido en el fondo cósmico de microondas. Debido a que los enfoques clásicos tienen dificultades con la evolución en tiempo real y los procesos fuera del equilibrio, una simulación cuántica digital capaz de preparar y evolucionar el estado de vacío es un paso metodológico significativo.

Lo que cambia el algoritmo

Dos obstáculos prácticos han bloqueado durante mucho tiempo tales simulaciones. El primero es la preparación del estado: cómo inicializar una computadora cuántica en un estado de baja energía que represente fielmente el vacío de la teoría de campos. El segundo es el ruido del hardware: los dispositivos cuánticos actuales son ruidosos y de tamaño limitado. La estrategia SC-ADAPT-VQE aborda el primero mediante el diseño de fragmentos de circuito utilizando simulación clásica en redes modestas y repitiendo luego esos fragmentos en un registro más grande; eso evita la costosa optimización variacional en el dispositivo ruidoso. Para el segundo problema, el equipo introdujo un protocolo de mitigación de errores llamado renormalización de la decoherencia de operadores, que permite la extracción significativa de observables físicos a pesar de las puertas imperfectas. Juntas, estas técnicas permiten a los investigadores acceder a dinámicas a una escala y con una fidelidad no demostradas previamente para teorías de gauge en red.

Cómo se conecta esto con la bariogénesis

Promesas y límites prácticos

Es importante ser precisos sobre qué es nuevo y qué sigue estando fuera de alcance. El modelo de Schwinger es un potente banco de pruebas, pero no es la QCD completa en 3+1 dimensiones ni la teoría electrodébil total; aún no están representados ingredientes importantes para la bariogénesis, como la estructura detallada de la violación CP en el Modelo Estándar, la dinámica de esfalerones multidimensionales y el acoplamiento de campos a un fondo cosmológico en expansión. Escalar hacia simulaciones electrodébiles o de QCD realistas exigirá órdenes de magnitud más de qubits, más conectividad y, lo más crucial, una corrección de errores cuánticos robusta o una mitigación de errores drásticamente mejorada. En resumen, el experimento demuestra una herramienta útil, no una cosmología resuelta.

Hoja de ruta: de demostraciones de juguete a simulaciones de grado cosmológico

• Teorías de gauge más fidedignas: los investigadores impulsarán las mismas ideas de diseño de circuitos hacia teorías de gauge en red de dimensiones superiores y hacia grupos no abelianos, que están más cerca de la QCD y del sector electrodébil.
• Dinámica en tiempo real fuera del equilibrio: los próximos objetivos son simulaciones de procesos que generan asimetrías explícitamente; por ejemplo, fondos con violación CP dependientes del tiempo o quenches térmicos que imitan transiciones de fase.
• Escalado de hardware y corrección de errores: alcanzar predicciones de grado cosmológico requerirá máquinas tolerantes a fallos o mejoras de varios órdenes de magnitud en el ruido y la fidelidad de las puertas.
• Validación interdisciplinaria: las simulaciones cuánticas necesitarán una comparación estrecha con métodos del continuo, teorías efectivas y restricciones experimentales de experimentos de física de partículas y de precisión para asegurar que exploran regímenes físicamente relevantes.

Todos estos pasos son áreas activas de investigación. La reciente demostración muestra que la creatividad algorítmica —particularmente los métodos que aprovechan la localidad física para construir circuitos escalables— puede ampliar las capacidades del hardware actual más de lo que se pensaba anteriormente. También subraya que el progreso será iterativo: desarrollo teórico de mapeos y algoritmos, demostraciones a pequeña y mediana escala en dispositivos a corto plazo y la eventual migración a plataformas con corrección de errores.

Por qué debería importar a los científicos

Hay dos razones para observar este espacio de cerca. Primero, la capacidad de ejecutar simulaciones controladas de campos cuánticos en tiempo real a partir de primeros principios abre nuevas ventanas empíricas a procesos no perturbativos que han sido mayoritariamente especulativos. Segundo, las técnicas demostradas —diseño de circuitos escalables y mitigación de errores a medida— son ampliamente aplicables a problemas de materia condensada, nucleares y de materiales donde la dinámica es importante. En otras palabras, el beneficio inmediato es metodológico: mejores herramientas que pueden aplicarse en toda la física. El beneficio a largo plazo —una simulación cuántica ab initio que resuelva cómo el universo eligió la materia sobre la antimateria— sigue siendo el gran premio, y este trabajo acerca un paso tangible ese objetivo distante.

Por ahora, el titular es modesto y vital: las computadoras cuánticas han pasado de ser una curiosidad a demostrar competencia para una clase de problemas de la teoría de campos. Si finalmente explicarán el origen de la materia sigue siendo una pregunta abierta, pero los investigadores tienen ahora un camino más claro para abordarla con cálculos controlados en lugar de argumentos vagos.

James Lawson es reportero de ciencia y tecnología en Dark Matter, especializado en computación cuántica, física de partículas y sistemas espaciales. Posee una maestría en Comunicación Científica y una licenciatura en Física por el University College London.