Este experimento cuántico recrea cómo se rompe un “hilo cuántico” entre partículas subatómicas

¿Qué tienen en común un acelerador de partículas y un entramado de átomos enfriados con láser? A simple vista, nada. Pero un equipo internacional de físicos ha conseguido que un sistema experimental de átomos ultrafríos imite uno de los procesos más extremos del universo: la ruptura del “hilo” de energía que mantiene unidos a los quarks. Un fenómeno llamado string breaking que normalmente solo se da en los violentos choques de partículas de los grandes colisionadores.

La noticia tiene un aire casi poético. Por primera vez, un simulador cuántico ha logrado observar directamente cómo se rompe una cuerda de interacción en dos dimensiones. Este “hilo cuántico” —una licencia divulgativa para hablar de los campos de fuerza que ligan partículas fundamentales— no es un objeto real, pero sí una forma útil de entender cómo opera una de las fuerzas más intensas de la naturaleza. El trabajo, publicado en Nature en 2025, es obra de investigadores del Instituto de Física Teórica de la Universidad de Innsbruck y la empresa estadounidense QuEra Computing y marca un antes y un después en la simulación cuántica de fenómenos de altas energías .

Lo que significa “romper una cuerda” en física de partículas

Cuando dos quarks están unidos, la energía que los mantiene conectados forma un campo de fuerza similar a una cuerda. Esta cuerda es una región alargada de intensidad creciente: cuanto más se separan los quarks, mayor es la energía almacenada. Pero si esa energía supera cierto umbral, ocurre algo fascinante: no se puede estirar más la cuerda, y en lugar de ello, se crea una nueva pareja quark-antiquark. Es decir, se rompe el hilo original y aparecen nuevas partículas.

Este proceso es clave en la cromodinámica cuántica (QCD), la teoría que describe cómo actúan los gluones, los portadores de la fuerza fuerte que mantiene unidos a los quarks dentro de protones y neutrones. Sin embargo, observar este fenómeno directamente es prácticamente imposible en condiciones naturales, ya que solo ocurre en colisiones de muy alta energía, como las que se producen en el Gran Colisionador de Hadrones.

Por eso, poder recrearlo en un entorno controlado de laboratorio supone un enorme avance. Hasta ahora, las simulaciones se habían limitado a configuraciones en una dimensión espacial. Este nuevo trabajo lo logra en un sistema bidimensional, mucho más complejo y representativo de los modelos físicos reales. Y lo hace usando una red de átomos fríos dispuestos en un patrón geométrico preciso: una red Kagome.

Una red de átomos que simula interacciones de partículas fundamentales

El simulador cuántico utilizado en este experimento se basa en átomos de rubidio enfriados y dispuestos con pinzas ópticas. El dispositivo, desarrollado por QuEra y llamado Aquila, permite controlar con gran precisión la posición y el estado cuántico de cada átomo. Los átomos pueden pasar de un estado fundamental a un estado de Rydberg, una configuración altamente excitada con fuertes interacciones entre vecinos.

En este contexto, los investigadores crearon una disposición de 59 átomos sobre una red bidimensional tipo Kagome. Cuando los átomos se excitan, sus interacciones simulan los campos de fuerza que, en los modelos de teoría de campos, equivalen a las cuerdas entre partículas. La clave está en cómo la excitación de un átomo impide la de sus vecinos cercanos, un fenómeno conocido como bloqueo de Rydberg, que se usa aquí como análogo a las restricciones de las teorías gauge.

El equipo diseñó cuidadosamente un protocolo cuántico para preparar diferentes configuraciones iniciales. Gracias a un control local del campo de energía aplicado a cada átomo, pudieron “dibujar” cuerdas entre pares de cargas artificiales —que en este experimento se simulan eliminando átomos de determinados puntos de la red—. El resultado es un sistema físico tangible que se comporta como una versión reducida y controlada de una teoría gauge de tipo U(1).

Una ventana a las teorías gauge

Las teorías gauge son marcos matemáticos que describen cómo interactúan las partículas mediante campos, como el electromagnético o el de la fuerza fuerte. En ellas, las “cargas” crean campos que se propagan y afectan a otras partículas, y lo hacen respetando ciertas simetrías locales. Simular una teoría gauge en un sistema físico es extremadamente complejo, porque requiere reproducir no solo las partículas, sino también las reglas que gobiernan sus interacciones. En este experimento, los investigadores logran representar un modelo tipo U(1), una de las formas más básicas de simetría gauge, utilizando la red de átomos excitados como análogos de los campos y las cargas. Esta implementación es clave para observar fenómenos como la ruptura de cuerda, que surge precisamente de las propiedades de confinamiento que impone la teoría.

Cómo se rompió la cuerda en el simulador

La ruptura de la cuerda no solo se observó en equilibrio, sino también como un proceso dinámico en tiempo real. Para ello, el equipo preparó una cuerda estable entre dos cargas y luego modificó repentinamente las condiciones del sistema —un proceso llamado quench— para provocar su ruptura. Este cambio consistía en ajustar localmente la energía de determinados átomos, de modo que el estado roto pasase a ser más probable que el estado original.

Durante el experimento, los investigadores midieron la evolución de las configuraciones atómicas a lo largo del tiempo, registrando cómo desaparecían los átomos de la cuerda y aparecían nuevas “cargas” en su lugar. Esta transición coincidía con la condición teórica de que la energía de la cuerda (la tensión) superase el doble de la masa de las partículas simuladas, lo que activa el fenómeno de string breaking.

Una cita directa del artículo resume esta observación: “observamos cómo la cuerda preparada inicialmente se rompe dinámicamente”, lo que confirma que el simulador no solo replica el equilibrio de las teorías gauge, sino también sus transiciones fuera del equilibrio . Además, el equipo detectó oscilaciones en la probabilidad de ruptura, relacionadas con la energía del sistema, un indicio de que estamos ante un fenómeno colectivo de muchos cuerpos, no un simple efecto individual.

Implicaciones para la física

Este experimento representa un hito para la física cuántica y la simulación de teorías fundamentales. Permite explorar fenómenos que, de otro modo, solo serían accesibles mediante grandes aceleradores de partículas o complejas simulaciones numéricas con ordenadores clásicos. En palabras de los autores, “nuestro trabajo abre el camino para explorar fenómenos de física de altas energías mediante simuladores cuánticos programables” .

Además, el avance no se limita a la física de partículas. Las teorías gauge también aparecen en física de la materia condensada, en sistemas como los líquidos cuánticos de espines o los materiales topológicos. Por tanto, la capacidad de simular estas teorías en 2D puede ayudar a comprender fases de la materia exóticas que aún no se han observado en la naturaleza.

El experimento también muestra el potencial de usar hardware cuántico como el de QuEra para investigar cuestiones fundamentales, más allá de las aplicaciones computacionales habituales. La posibilidad de combinar esta plataforma con técnicas como Floquet engineering o protocolos híbridos analógico-digitales abre puertas a simular teorías no abelianas, aún más complejas y relevantes para describir la realidad.

Un experimento de precisión… y con desafíos

La preparación del estado cuántico inicial es una de las etapas más delicadas del experimento, y según los propios autores, aún está sujeta a imperfecciones. La decoherencia cuántica, el movimiento térmico de los átomos y ciertos errores de lectura afectan a la fidelidad de las simulaciones. Pese a ello, la coincidencia entre los resultados teóricos y los observados experimentalmente valida el enfoque.

Una de las innovaciones clave fue el uso de detuning local, un ajuste energético personalizado para cada átomo, que permitió controlar la aparición o desaparición de las cuerdas. Esta técnica, según los autores, será fundamental para preparar estados aún más complejos y precisos en futuros trabajos. El sistema también demostró escalabilidad, lo que sugiere que se podrían simular redes mayores en breve.

Por supuesto, “hilo cuántico” es una expresión puramente divulgativa, no una categoría física real. Sirve como analogía visual para referirse a los campos confinantes que en física de partículas se extienden entre cargas —como los quarks—. En este experimento, ese “hilo” es representado por una cadena de átomos excitados, cuya ruptura significa la aparición de nuevas entidades cuánticas dentro del simulador.

Cortesía de Muy Interesante

Dejanos un comentario: