El destino del universo es una de las mayores incógnitas de la física moderna. ¿Es estable el cosmos tal como lo conocemos o podría cambiar radicalmente en el futuro? Un equipo internacional de físicos ha logrado simular en un ordenador cuántico un fenómeno teórico que sugiere que el universo podría no estar en su estado más estable, sino en un “falso vacío“, con la posibilidad de colapsar en un instante impredecible. Este trabajo, que combina teoría cuántica de campos y computación cuántica, ofrece una nueva ventana para explorar los procesos físicos que rigen el destino del cosmos.
Los investigadores utilizaron un ordenador cuántico de 5564 qubits para modelar el comportamiento de burbujas en un falso vacío y analizar su evolución. Este tipo de simulaciones son fundamentales, ya que permiten estudiar procesos que, de otro modo, serían inalcanzables con las tecnologías computacionales clásicas. “Estamos hablando de un proceso por el cual el universo cambiaría completamente su estructura”, explica el profesor Zlatko Papic, uno de los autores del estudio.
El concepto de falso vacío: una idea inquietante
El universo en el que vivimos podría no estar en su estado de energía más bajo. Según la teoría del falso vacío, después del Big Bang, el cosmos pudo haberse enfriado en un estado metaestable, un mínimo local de energía que no es el verdadero estado fundamental. En otras palabras, aunque todo parece estable, el universo podría estar en un estado temporal que en cualquier momento podría decaer a un estado de energía aún más bajo.
Cuando esto suceda, las constantes fundamentales de la física cambiarían abruptamente, afectando las fuerzas que gobiernan el universo. Todo lo que conocemos dejaría de existir en una transición tan rápida como la velocidad de la luz. Sin embargo, determinar si esto ocurrirá, y en qué escalas de tiempo, sigue siendo un desafío enorme para la física teórica.
Los modelos teóricos han intentado calcular cuánto tiempo tardaría este proceso, pero las respuestas varían drásticamente dependiendo de la naturaleza exacta del campo cuántico involucrado. Algunos cálculos sugieren que el colapso podría tardar miles de millones de años, mientras que otros indican que podría ocurrir en cualquier momento. Lo cierto es que el falso vacío sigue siendo una posibilidad real en el marco de la física actual, aunque su probabilidad sigue sin estar clara.
Un experimento imposible en el laboratorio, pero posible en un ordenador cuántico
El gran problema del falso vacío es que no podemos crear un universo de prueba para verificar esta teoría. Hasta ahora, el estudio de este fenómeno dependía únicamente de modelos matemáticos y análisis teóricos. Sin embargo, los físicos del Forschungszentrum Jülich, la Universidad de Leeds y el Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria han encontrado una solución alternativa: usar un ordenador cuántico como laboratorio virtual.
Los investigadores emplearon un procesador de temple cuántico de D-Wave para recrear la dinámica de burbujas dentro de un falso vacío. Este tipo de computadoras cuánticas, en lugar de utilizar puertas lógicas como los ordenadores cuánticos universales, están diseñadas específicamente para resolver problemas de optimización mediante un proceso conocido como temple cuántico. Esta técnica permite encontrar el estado de menor energía en un sistema físico, aprovechando efectos cuánticos como la superposición y el túnel cuántico para explorar diferentes configuraciones de manera más eficiente.
Según el paper, “utilizamos un procesador de temple cuántico con 5564 qubits para observar en tiempo real la formación de burbujas cuantizadas, que son la firma distintiva de la dinámica del falso vacío”. Gracias a este enfoque, los investigadores pudieron modelar y analizar procesos que serían imposibles de estudiar en un laboratorio convencional.
Estas burbujas representan regiones en las que el universo podría transitar de un estado metaestable a uno más estable, en un proceso similar a la formación de gotas de líquido en una fase de condensación. El objetivo del experimento era entender cómo estas burbujas se forman, interactúan y evolucionan con el tiempo, lo que podría ofrecer pistas clave sobre cómo ocurriría un colapso del falso vacío a gran escala.
Resultados: burbujas que interactúan y se combinan
La simulación reveló que las burbujas no aparecen y crecen de manera aislada, sino que interactúan entre sí, modificando su tamaño y velocidad de expansión. Este detalle es clave, ya que en los modelos previos se asumía que las burbujas del verdadero vacío se formaban de manera independiente.
Uno de los hallazgos más sorprendentes fue que las burbujas más grandes pueden crecer absorbiendo las más pequeñas. “No encontramos que una burbuja grande pueda expandirse por sí sola”, señalan los autores. “Solo a través de la interacción con burbujas vecinas puede una de ellas aumentar su tamaño a expensas de otra”.
Este comportamiento sugiere que la transición del falso al verdadero vacío podría ser más compleja de lo que se pensaba, con patrones de interacción que podrían modificar las escalas de tiempo del proceso. El estudio también mostró que las burbujas más pequeñas pueden desplazarse libremente por el sistema, mientras que las grandes quedan confinadas hasta que logran absorber suficiente energía para crecer.
Más allá de la cosmología: impacto en la computación cuántica
El estudio no solo tiene implicaciones para la cosmología, sino también para la computación cuántica y la física de materiales. Los investigadores sugieren que comprender la interacción de burbujas en un falso vacío podría mejorar la forma en la que los sistemas cuánticos manejan errores y realizan cálculos complejos.
En palabras del Dr. Jaka Vodeb, coautor del trabajo: “Estos avances no solo amplían nuestro conocimiento del universo, sino que también allanan el camino para futuras tecnologías que podrían revolucionar áreas como la criptografía, la ciencia de materiales y la computación eficiente en términos energéticos”.
Uno de los aspectos más fascinantes del experimento es que abre la posibilidad de utilizar computadoras cuánticas para explorar otros procesos físicos altamente complejos, que hasta ahora solo podían estudiarse teóricamente. A medida que estas máquinas sigan evolucionando, es probable que veamos más investigaciones que apliquen este enfoque a problemas fundamentales de la física.
Un nuevo paradigma en la investigación del universo
Esta investigación demuestra que la computación cuántica puede ser una herramienta poderosa para estudiar procesos físicos que antes eran inalcanzables. Aunque el colapso del falso vacío sigue siendo una posibilidad teórica, la capacidad de simular su dinámica con miles de qubits abre nuevas puertas para entender los mecanismos que gobiernan la evolución del cosmos.
Según el profesor Papic, “los tiempos de estos procesos en el universo son gigantescos, pero el ordenador cuántico nos permite observarlos en tiempo real y ver qué está ocurriendo”. A medida que las tecnologías cuánticas sigan avanzando, podríamos estar más cerca de resolver algunas de las preguntas más fundamentales sobre la existencia y el destino del universo.
Referencias
- Jaka Vodeb, Jean-Yves Desaules, Andrew Hallam, Andrea Rava, Gregor Humar, Dennis Willsch, Fengping Jin, Madita Willsch, Kristel Michielsen, Zlatko Papic. Stirring the false vacuum via interacting quantized bubbles on a 5564-qubit quantum annealer. Publicado en Nature Physics, 4 de febrero de 2025. DOI: 10.1038/s41567-024-02765-w
Cortesía de Muy Interesante
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