La naturaleza produce partículas elementales "mágicas"
FÍSICA DE PARTÍCULAS.
La "magia cuántica" está presente en la producción de quarks top en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN.
Recreración artística de la magia cuántica en los quarks top, destacando la elegancia y la energía de las colisiones en el LHC. / IA/T21.
Algunas partículas elementales muestran propiedades mágicas que captan las sutilezas de los sistemas cuánticos. Superan al entrelazamiento en capacidad de computación, lo que impulsará ordenadores cuánticos tolerantes a fallos y algoritmos cuánticos eficientes.
Un equipo internacional de físicos ha realizado un descubrimiento sorprendente en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN: la naturaleza produce "quarks top mágicos". Este hallazgo, publicado en Physical Review D, establece un puente innovador entre la física de partículas y la computación cuántica.
La magia cuántica es un concepto relativamente reciente en el campo de la computación cuántica y la teoría de la información cuántica, y su estudio está proporcionando nuevas perspectivas sobre las capacidades y limitaciones de los sistemas cuánticos.
La "magia" se refiere a una propiedad fundamental de ciertos estados cuánticos. Esta propiedad distingue a los estados que ofrecen una ventaja computacional genuina sobre los estados clásicos cuando se utilizan en algoritmos cuánticos.
La magia cuántica va más allá del concepto de entrelazamiento, que durante mucho tiempo se consideró la clave del poder de la computación cuántica. Los investigadores han descubierto que el entrelazamiento cuántico por sí solo no es suficiente para superar a las computadoras clásicas en todos los casos, mientras que la magia cuántica detecta estados cuánticos que proporcionan una ventaja computacional real sobre los estados clásicos en algoritmos específicos.
Por este motivo, la magia cuántica es crucial para el desarrollo de computadoras cuánticas tolerantes a fallos y algoritmos cuánticos eficientes porque se puede cuantificar y medir con mucha más precisión, lo que permite evaluar qué tan "mágico" es un estado cuántico particular, según esta investigación.
La clave.
La clave de este descubrimiento, dicho técnicamente: que la magia cuántica no tiene un umbral distinto de cero para su detección, a diferencia de algunas medidas de entrelazamiento, que sí tienen ese umbral. Eso significa que se tiene que alzanzar un cierto nivel mínimo de entrelazamiento cuántico antes de que la medida lo registre como tal.
La magia cuántica no tiene esa limitación, por lo que incluso cantidades muy pequeñas de magia pueden ser detectadas y medidas: es más sensible a pequeñas variaciones en los estados cuánticos, por lo que la magia cuántica se puede detectar y cuantificar en sistemas donde el entrelazamiento podría ser difícil de medir.
Es decir, la magia cuántica representa una herramienta más precisa para analizar ciertas propiedades cuánticas en sistemas físicos, como la producción de pares de quarks top en colisionadores de partículas. Esta característica hace que sea una propiedad particularmente útil para estudiar sutilezas en sistemas cuánticos que podrían pasar desapercibidas con medidas de entrelazamiento convencionales.
La partícula más pesada.
Para llegar a esta conclusión, los científicos estudiaron la producción de pares de quark top y antiquark top en el LHC. Los cuarks o quarks (de los que hay seis tipos diferentes) forman la materia nuclear y ciertos tipos de partículas llamadas hadrones. El quark top, la partícula fundamental más pesada conocida, es único entre los quarks porque se desintegra antes de formar hadrones, permitiendo medir eficientemente sus propiedades cinemáticas, como el espín. Las propiedades cinemáticas son características físicas que describen el movimiento de un objeto o partícula sin considerar las fuerzas que causan ese movimiento.
El quark top permite medir estas propiedades cinemáticas de manera más eficiente que en otros quarks. Esta característica hace que el quark top sea especialmente valioso para estudiar fenómenos cuánticos como el entrelazamiento y la "magia cuántica" en experimentos de física de altas energías.
El equipo descubrió que la naturaleza produce "tops mágicos" en la mayoría de las configuraciones cinemáticas y que esa cantidad de magia varía según la cinemática del estado final. Es decir, que hay regiones en las que la magia desaparece, indicando que los sistemas alcanzan estados estabilizadores.
Además, según comprobó esta investigación, al integrar las contribuciones de diferentes canales de producción (como quarks-antiquarks y gluones) la magia aumenta debido a la mezcla de estados estabilizadores en el sistema combinado.
Todo esto significa que los quarks top exhiben propiedades cuánticas que van más allá del simple entrelazamiento, abriendo nuevas posibilidades para la investigación en física de partículas y computación cuántica. Esto subraya que magia y entrelazamiento son propiedades complementarias, pero distintas.
Nuevas herramientas.
Pensando en las aplicaciones de este descubrimiento, la magia cuántica podría proporcionar nuevas formas de analizar datos en experimentos de física de altas energías y ayudar a distinguir entre el Modelo Estándar y nueva física, explican los investigadores en su artículo. Asimismo, podría inspirar nuevos enfoques para el diseño de algoritmos cuánticos y la construcción de computadoras cuánticas tolerantes a fallos.
Y no solo: este estudio crea nuevos vínculos entre la teoría de la información cuántica y la física de partículas, fomentando la colaboración interdisciplinaria.
En líneas más generales, este descubrimiento demuestra que los experimentos de física de altas energías, como los realizados en el LHC, pueden servir como laboratorios para explorar conceptos avanzados de computación cuántica. Y lo más relevante: la producción natural de estados mágicos en colisiones de partículas abre nuevas vías para la investigación en ambos campos, enfatizan los investigadores.
Por: Eduardo Martínez de la Fe.
Sitio Fuente: Levante / Tendencias21