Investigadors de l’IFIC (CSIC-UV) utilitzen el buit quàntic per a millorar les prediccions en física de partícules i avançar en computació quàntica

Un equip internacional liderat per l’Institut de Física Corpuscular crea un algorisme que representa de forma més precisa les col·lisions que ocorren en acceleradors com el LHC

Un equip internacional liderat per investigadors de l’Institut de Física Corpuscular (IFIC), centre mixt del Consell Superior d’Investigacions Científiques (CSIC) i la Universitat de València, ha desenvolupat un algorisme que permet predir amb major precisió el comportament de les partícules elementals en acceleradors com el Gran Colisionador d’Hadrons (LHC) del CERN. Aquest nou mètode es basa en les fluctuacions del buit quàntic, un fenomen desconcertant de la Física que, paradoxalment, ofereix representacions matemàtiques més precises dels processos físics. Aquest mètode, publicat a la prestigiosa revista científica Physical Review Letters, s’ha implementat per primera vegada en un ordinador quàntic, un avanç arreplegat en un altre article publicat a la revista Quantum Science and Technology.

El buit en Física quàntica és un concepte tan fascinant com desconcertant. Lluny de ser un espai desproveït de tot contingut, representa un escenari dinàmic on partícules i antipartícules sorgeixen i s’aniquilen de manera constant, guiades pel principi d’incertesa de Heisenberg. Aquestes fluctuacions del buit quàntic, encara que breus, deixen una petjada indeleble que permet millorar significativament les prediccions teòriques sobre el comportament de les partícules subatòmiques, una cosa fonamental per a interpretar les dades en experiments com el LHC.

Tradicionalment, els models teòrics que prediuen aquest comportament s’han basat en els diagrames del premi Nobel Richard Feynman, que representen, de manera gràfica i concisa, la interacció entre un conjunt de partícules que col·lideixen inicialment i les que emergeixen com a resultat d’eixa col·lisió. No obstant això, el formalisme matemàtic utilitzat permet, en uns certs casos, la producció d’algunes d’aquestes partícules amb energia exactament nul·la o en la mateixa direcció.

Encara que aquestes configuracions són vàlides des del punt de vista matemàtic, manquen de significat físic. Aquest fenomen reflecteix una característica essencial de la mecànica quàntica: el nombre de partícules no és fix i pot canviar a causa de fluctuacions quàntiques. Això complica els càlculs teòrics i genera grans desafiaments, ja que sovint sorgeixen infinits matemàtics que dificulten obtindre resultats precisos.

La investigació liderada per l’IFIC proposa un enfocament innovador: basar els càlculs teòrics en les amplituds de buit, és a dir, en diagrames que no inclouen partícules externes i se centren en les fluctuacions intrínseques del buit quàntic. Aquesta estratègia elimina les dificultats associades als valors infinits i ofereix representacions matemàtiques més precises dels processos físics reals.

Com explica Germán Rodrigo, investigador principal del grup LHCPHENO a l’IFIC que lidera el treball, “quan un formalisme matemàtic condueix a complicacions innecessàries, sol ser un senyal que existeix un mode més elegant i directe per a obtindre el resultat. El mètode que hem desenvolupat incorpora de manera manifesta el principi físic fonamental de causalitat, o causa-efecte. Ademés de possibilitar prediccions teòriques més avançades, ofereix una nova perspectiva per a entendre les enigmàtiques propietats quàntiques del buit”, assegura el físic del CSIC.

Aplicacions en computació quàntica

L’absència d’infinits, juntament amb la naturalesa quàntica intrínseca de la física de partícules, ha permés als investigadors implementar amb èxit el seu nou algorisme en un ordinador quàntic. Aquesta fita ha facilitat la predicció, per primera vegada en aquesta mena de plataformes, de la taxa de desintegració del bosó de Higgs, la partícula elemental responsable de la massa en l’univers, a segon ordre de la teoria quàntica de camps, el marc teòric que combina la mecànica quàntica i la relativitat especial per a descriure com interactuen les partícules elementals.

Això representa un avanç significatiu, perquè els càlculs a ordres alts en teoria quàntica de camps, on cada ordre nou millora significativament la descripció del sistema, són extremadament complexos i requereixen una gran capacitat computacional. Aconseguir aquest resultat en un ordinador quàntic, a més de validar la seua capacitat per a abordar problemes avançats de física teòrica, obri noves possibilitats per a l’ús de la computació quàntica en simulacions de partícules elementals i altres aplicacions en física d’altes energies.

Jorge Martínez de Lejarza, doctorant a l’IFIC i un dels autors de l’últim treball, apunta: “Els ordinadors quàntics prometen revolucionar la computació en el segle XXI, superant als ordinadors clàssics en la resolució d’uns certs problemes concrets. En física de partícules ens enfrontem a alguns dels majors desafiaments en la ciència i, en eixe sentit, la nostra missió és reformular-los per a permetre la seua execució en ordinadors quàntics, contribuint així a avançar en una millor comprensió de l’univers”.

Aquest avanç obri noves oportunitats per al desenvolupament d’aplicacions en computació quàntica i representa un pas significatiu en l’exploració de les fronteres de la física de partícules. Els dos treballs s’han realitzat en col·laboració amb personal investigador de la Universitat de Salamanca, la Universitat Autònoma de Sinaloa (Mèxic) i la Iniciativa en Tecnologies Quàntiques del CERN.

 

Referències:
S. Ramírez-Uribe, P.K. Dhani, G.F.R. Sborlini and G. Rodrigo, Rewording Theoretical Predictions at Colliders with Vacuum Amplitudes, Phys. Rev. Lett. 133 (2024) 211901. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.211901

J.J.Martínez de Lejarza, D.F. Rentería-Estrada, M. Grossi and G. Rodrigo, Quantum integration of decay rates at second order in perturbation theory, Quantum Sci.Technol. 10 (2025) 2, 025026. DOI: https://doi.org/10.1088/2058-9565/ada9c5