Simulación cuántica

El arte de la simulación cuántica permite el estudio de fenómenos inaccesibles

Enrique Solano (Lima, 1964), acaba de publicar el artículo ‘Simulación cuántica de la ecuación de Dirac’ en la prestigiosa revista Nature. Solano ha dirigido este proyecto junto con Rainer Blatt, director de laboratorio en el Instituto de Física de Innsbruck (Austria) y su equipo formado por R. Gerritsma, G. Kirchmair, F. Zähringer y C.F. Roos. Pese a que el campo de la simulación abre un mundo de posibilidades “jamás explorado” que permitirá estudiar “fenómenos inaccesibles” y conocer nuevas propiedades de los materiales, Solano sabe que hay algo que jamás podrá calcular: su curiosidad. “Es infinita”, asegura.
Expertos internacionales han descrito su trabajo como “un paso muy importante en el campo de la Física”. ¿Cómo han recibido la noticia?
Nos ha sorprendido gratamente la buena recepción de nuestro trabajo en la comunidad científica internacional. La revista Nature no acostumbra publicar resultados finales que cierran temas, sino que abren líneas nuevas de investigación. Aún así, una de las condiciones para aceptar un artículo es la originalidad y el alto impacto, es decir, que aporte conocimiento nuevo a la comunidad científica de forma significativa, por lo que es muy agradable que califiquen nuestra investigación de “hito”. Sin embargo, ser escéptico forma parte del trabajo del científico, así que procuro no creer demasiado en los halagos y confiar más en la autocrítica constante. Mi equipo y yo no nos conformamos con dar el primer paso y ambicionamos dar muchos más.
¿De qué trata el artículo ‘Simulación cuántica de la ecuación de Dirac’?
Nuestro trabajo teórico y experimental ha unido dos áreas aparentemente incompatibles hasta la fecha: la física cuántica relativista de los años 30 del siglo pasado -una época de oro para la física-, y la óptica cuántica poseedora de la tecnología cuántica más avanzada. Mediante la técnica del confinamiento de átomos –donde éstos se atrapan e inmovilizan con láseres-, hemos conseguido que un sistema físico simule el comportamiento cuántico de otro. Concretamente, hemos logrado que un átomo confinado adquiera una dinámica similar a la de una partícula cuántica relativista que se mueve a una velocidad cercana a la de la luz y que, debido a las limitaciones técnicas, jamás se ha podido observar. La simulación cuántica es como un teatro donde se representa la vida cotidiana de la Naturaleza a la cual no tenemos acceso. ¿Cómo perseguir a un electrón que viaja a velocidades cercanas a la de la luz y comprobar si oscila o describe una línea recta? La simulación cuántica de esa dinámica nos permite tener acceso a una física similar que sí podemos manipular y controlar.
¿Y qué es la ecuación de Dirac?
Uno de los mayores físicos del siglo XX y premio Nobel, Paul Dirac, propuso en 1928 por primera vez una ecuación dinámica que unificaba de forma satisfactoria las exigencias de la física cuántica y la relatividad especial. A consecuencia de esto, el físico alemán Erwin Schrödinger predijo un par de años después que las partículas que se mueven a una alta velocidad no se moverían en línea recta, sino que lo harían en forma helicoidal. Esa oscilación se conoce como ‘Zitterbewegung’, que en alemán significa ‘movimiento vibratorio’. Schrödinger descubrió que la amplitud de ese movimiento es más pequeña que el núcleo de un átomo y su frecuencia es millones de veces superior a la de la luz visible, por tanto no existe tecnología que pueda medirla hasta el día de hoy. Con el paso del tiempo, el ‘Zitterbewegung’ quedó plasmado como una elucubración teórica de libro texto que nadie ha podido o se ha atrevido a medir.Esa inaccesibilidad fue la que me despertó la curiosidad y ese desafío me indujo a estudiar la posible simulación cuántica de la ecuación de Dirac y sus predicciones. Después de un estudio técnico y teórico profundo les propuse a mis colegas de Innsbruck colaborar con nosotros en el País Vasco para llevar nuestros modelos de simulación cuántica de la ecuación de Dirac a sus avanzados laboratorios.
¿Qué aplicaciones tiene la simulación cuántica en la vida cotidiana?
La simulación cuántica permitiría reproducir efectos físicos y conocer propiedades de materiales que no sólo se desconocen, sino que técnicamente no se pueden conocer. Imagine que deseamos rediseñar un material añadiendo un protón más a cada molécula. Bien, eso no se puede hacer. Estamos hablando de trillones de átomos. Precisaríamos de una gran inversión y de muchos años de investigación. Por ello recurrimos a la simulación cuántica, que a partir de prototipos mucho menos costosos, podría proporcionarnos resultados muy poderosos como que añadiendo un protón más el material cambiaría de color o se volvería dañino para la piel, por ejemplo. Además, se prevé que en los próximos años se realicen simulaciones mucho más complejas que producirán resultados jamás conocidos.
¿Cuál es el papel que desempeñan los ordenadores?
Muchas simulaciones convencionales emplean el ordenador, pero éstos están limitados. Ni toda la memoria de todos los ordenadores del mundo alcanzaría, por ejemplo, para calcular una evolución compleja de 100 átomos. Pese a estar muy orgullosos de nuestra tecnología, lo cierto es que los ordenadores convencionales son incapaces de resolver una buena parte de los problemas físicos importantes.
Como dijo el premio Nobel de Física Richard Feynman, “dejemos que la Naturaleza calcule lo que nosotros no podemos calcular”. Personalmente, me encantaría cumplir el sueño de Feynman, y ambiciono estudiar y ver realizadas las simulaciones cuánticas de reacciones químicas o nucleares, incluso de comportamientos genéticos y biológicos.
Desde mayo de 2008, es investigador de Ikerbasque en la Facultad de Ciencia y Tecnología de la UPV/EHU, en el departamento de Química/Física. ¿Qué le atrajo del País Vasco?
El País Vasco cuenta con investigadores importantes, pero no existe todavía una masa crítica suficiente como para convertirnos en un polo científico mundial. En ese sentido, se está haciendo un gran esfuerzo político y económico por apoyar y hacer crecer la ciencia con la formación de nuevos grupos de investigación de élite. Existen muchos programas de apoyo financiero a los proyectos de investigación similares a los de países con tecnología e investigación más avanzadas. Desde que me instalé en la UPV/EHU hemos ganado varios proyectos europeos y somos pioneros en España en Información Cuántica y en Tecnologías Cuánticas de Microondas y Qubits Superconductores. Asimismo, Ikerbasque me hizo una oferta interesante para formar un grupo de investigación con independencia y apoyo, oferta que acepté gustoso. La Fundación Ikerbasque usa estándares internacionales de evaluación y ofrecen todas las facilidades para desarrollar la investigación con libertad y apoyo decidido de la UPV/EHU. En países donde el sistema académico está muy establecido, apenas puedes cambiar nada, pues las líneas de investigación están muy marcadas. Aquí es diferente, nuestra opinión cuenta y eso es reconfortante. Por otro lado, me gustan los desafíos. La frustración no viene por la falta de recursos o intenciones, sino por nuestras propias limitaciones intelectuales y son ellas nuestras únicas rivales comunes. No me gustan las cosas hechas y masticadas, probablemente porque he crecido en un lugar donde todo cuesta demasiado y donde el talento no es suficiente.

(Fuente: Ikerbasque). Enrólate en el Otto Neurath