Simulan el fin del Universo con un ordenador cuántico

Hace ya medio siglo, una serie de punteras investigaciones en teoría cuántica de campos llegaron a una extraordinaria conclusión: el Universo podría estar atrapado en un 'falso vacío', un estado que parece estable, pero que no lo es, ya que en realidad estaría al borde de una transición a un estado de 'vacío verdadero' mucho más estable. Sería como una pelota aún inmóvil en el borde de una pronunciada pendiente, pero a punto de echar a rodar por ella. Una 'falsa' estabilidad que sólo será verdadera cuando la pelota, efectivamente, ruede y se detenga definitivamente en el fondo.

Por supuesto, este proceso desencadenaría cambios catastróficos en la estructura misma del Universo, que dejaría de existir tal y como lo conocemos. Pero resulta muy difícil predecir cuándo sucederá exactamente ese cambio de estado, o saber si podría haber empezado ya, en cuyo caso la destrucción ya habría comenzado a extenderse en alguna parte. Sin embargo, incluso si ese fuera el caso, los expertos creen que por el momento podemos estar tranquilos, y coinciden en que lo más probable es que la destrucción total necesite un período enormemente extenso, a escala humana, para completarse. Un período de 'destrucción continua' que se extendería a lo largo de cientos o incluso de miles de millones de años antes de consumir por completo nuestra realidad.

Ahora, en un artículo recién publicado en 'Nature Physics', una colaboración internacional entre tres centros de investigación dirigida por Zlatko Papic, de la universidad británica de Leeds, y Jaka Vodeb, del Centro de Supercomputación Jülich, en Alemania, afirma haber obtenido valiosos conocimientos sobre cómo se produce la desintegración del falso vacío, un proceso vinculado al origen mismo del Universo y también al comportamiento de las partículas subatómicas que lo componen.

«Estamos hablando de un proceso por el cual el Universo cambiaría completamente su estructura -afirma Papic-. Las constantes fundamentales podrían cambiar de forma instantánea y el mundo tal como lo conocemos colapsaría como un castillo de naipes. Lo que realmente necesitamos son experimentos controlados para observar este proceso y determinar sus escalas de tiempo».

El objetivo principal del estudio era descubrir y comprender el mecanismo fundamental que desencadena la desintegración del falso vacío. Y para ello los investigadores utilizaron lo último en tecnología cuántica, un 'recocedor cuántico' de 5.564 cúbits, un tipo de ordenador cuántico que permite resolver problemas complejos de optimización, en los que el objetivo es encontrar la mejor entre un conjunto de posibles soluciones diferentes.

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Patricia Biosca

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En su artículo, los investigadores explican cómo utilizaron la máquina para imitar el comportamiento de las burbujas en un falso vacío, que son similares a las burbujas de líquido que se forman en el vapor de agua. La formación, interacción y propagación de esas burbujas en el Universo sería el desencadenante de la desintegración.

«Este fenómeno -explica el coautor Jean-Yves Desaules, del Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (ISTA)- es comparable a una montaña rusa que tiene varios valles a lo largo de su trayectoria, pero solo un 'verdadero' estado más bajo, a nivel del suelo. Si ese es realmente el caso, la mecánica cuántica permitiría al Universo eventualmente tunelar al estado de energía más bajo o al 'verdadero' vacío, y ese proceso resultaría en un evento global catastrófico».

El 'recocedor cuántico' permitió a los científicos observar la intrincada 'danza' de las burbujas, que incluye cómo se forman, crecen e interactúan, en tiempo real. Y las observaciones revelaron que esa dinámica no es un evento aislado, sino que involucra interacciones complejas, incluido cómo las burbujas más pequeñas pueden influir en las más grandes. Los investigadores aseguran que sus hallazgos proporcionan nuevos conocimientos sobre cómo podrían haber ocurrido tales transiciones poco después del Big Bang.

En palabras de Vodeb, «al aprovechar las capacidades de un gran 'recocedor cuántico', nuestro equipo ha abierto la puerta al estudio de sistemas cuánticos fuera del equilibrio y transiciones de fase que de otro modo serían difíciles de explorar con métodos de computación tradicionales».

Los físicos se han preguntado durante mucho tiempo si el proceso de desintegración del falso vacío podría llegar a ocurrir realmente y, de ser así, cuánto tiempo tardaría. Sin embargo, hasta ahora se han producido pocos avances, debido a la naturaleza matemática poco manejable de la teoría cuántica de campos.

Por eso, y en lugar de seguir tratando de resolver esos problemas matemáticos tan complejos, Papic y su equipo apuntaron a otros objetivos más simples, que se pueden estudiar utilizando los últimos dispositivos y aplicaciones disponibles. De este modo, los científicos pudieron simular y observar directamente la dinámica de la desintegración del falso vacío a una escala cósmica.

El experimento consistió en colocar 5.564 cúbits, los bloques de construcción elementales de la computación cuántica, en configuraciones específicas que representan el falso vacío. Controlando cuidadosamente el sistema, los investigadores consiguieron poner en marcha la transición de falso a verdadero vacío, reflejando la formación de burbujas tal y como describe la teoría de la desintegración del falso vacío. El estudio utilizó un modelo unidimensional, pero se cree que serán posibles versiones 3D en el mismo 'recocedor'.

«Estamos tratando de desarrollar sistemas donde podamos realizar experimentos simples para estudiar este tipo de cosas -asegura Papic-. Las escalas de tiempo para que estos procesos ocurran en el Universo son enormes, pero el uso del 'recocedor' nos permite observarlos en tiempo real, de forma que realmente vemos lo que está sucediendo. Este emocionante trabajo, que combina la simulación cuántica de vanguardia con la física teórica profunda, muestra lo cerca que estamos de resolver algunos de los mayores misterios del Universo».

Más allá de su importancia para la Cosmología, los investigadores creen que el estudio tiene implicaciones prácticas para el avance de la computación cuántica. De hecho, comprender las interacciones de burbujas en el falso vacío podría conducir a mejoras en la forma en que los sistemas cuánticos manejan los errores y realizan cálculos complejos, lo que ayudará a que sean mucho más eficientes.

En palabras de Vodeb, «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 materiales y la computación de bajo consumo».