Simulan la creación de partículas en un universo en expansión con ordenadores cuánticos
Los misterios del universo en expansión pueden desvelarse con la computación cuántica. Un equipo de físicos ha logrado simular digitalmente la creación de partículas en un cosmos en evolución usando ordenadores cuánticos de IBM.
Por Enrique Coperías
Investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid han utilizado la computación cuántica digital para simular la creación de partículas en un espacio-tiempo dinámico. Imagen generada con DALL-E
En los últimos años, la computación cuántica ha avanzado a pasos agigantados, permitiendo la simulación de fenómenos físicos que, hasta ahora, eran imposibles de estudiar con ordenadores clásicos.
Uno de estos fenómenos es la creación de partículas en un universo en expansión, un proceso que ocurre en el contexto de la teoría cuántica de campos en espacio-tiempo curvado (QFTCS, por sus siglas en inglés), una aproximación en la que, dicho de forma resumida, se combinan la mecánica cuántica y la relatividad general, pero sin cuantizar la gravedad.
En esta teoría, el espacio-tiempo se trata como un fondo geométrico fijo (curvado debido a la expansión del universo), y sobre él evolucionan los campos cuánticos. Bajo esta perspectiva, el campo cuántico siente el cambio en la geometría del universo y responde a él generando partículas.
El dilema de la gravedad cuántica
En este estudio, los investigadores Marco D. Maceda y Carlos Sabín, ambos del Departamento de Física Teórica, en la Universidad Autónoma de Madrid, han utilizado computadoras cuánticas de IBM para simular digitalmente este efecto, y han podido demostrar que las técnicas actuales de mitigación de errores pueden mejorar significativamente la precisión de los resultados.
Uno de los grandes desafíos de la física teórica es la conciliación entre la relatividad general y la mecánica cuántica. La cuantización estándar de la gravedad —en física, cuantizar significa aplicar las reglas de la mecánica cuántica a una teoría clásica, como se hace con el electromagnetismo para obtener la electrodinámica cuántica— conduce a una teoría no renormalizable, es decir, que las infinitas correcciones que aparecen en los cálculos no puedan regularizarse con un número finito de parámetros ajustables.
Esto ha llevado a la búsqueda de enfoques alternativos, como la teoría de cuerdas, que postula que las partículas fundamentales no son puntos sino cuerdas vibrantes, evitando las divergencias problemáticas; y la gravedad cuántica de lazos, que intenta describir el espacio-tiempo como una red cuántica de pequeños lazos entrelazados.
Simulación de radiación de Hawking
Otra opción es la antes citada teoría cuántica de campos en espacio-tiempo curvado, que trata el espacio-tiempo como un fondo clásico curvado sobre el cual evolucionan los campos cuánticos. Esta aproximación ha permitido predecir fenómenos fascinantes como la radiación de Hawking —fenómeno cuántico por el cual los agujeros negros emiten partículas y pierden masa con el tiempo— en los agujeros negros y la creación de partículas en universos en expansión.
Sin embargo, comprobar estas predicciones experimentalmente es extremadamente difícil, ya que estos procesos ocurren en condiciones extremas, como las que existieron en los primeros instantes del universo después del big bang. Para superar esta limitación, los científicos han recurrido a simulaciones en laboratorio.
De este modo, los físicos han logrado avances importantes en la simulación de radiación de Hawking en condensados de Bose-Einstein y en la reproducción de modelos cosmológicos en sistemas cuánticos. Pero, hasta ahora, la posibilidad de simular estos efectos mediante computación cuántica digital no había sido explorada en profundidad.
El modelo: un universo en expansión
El estudio de Maceda y Sabín se basa en un modelo teórico en el que un campo escalar cuántico masivo se encuentra en un universo en expansión. Recordemos que campo escalar cuántico masivo es un campo cuántico cuyo valor es un número en cada punto del espacio y el tiempo, en lugar de un vector o espín. Su partícula asociada tiene masa, como el bosón de Higgs, y obedece la ecuación de Klein-Gordon, que describe su evolución en el espacio-tiempo.
Matemáticamente, el espacio-tiempo se describe mediante la métrica de Friedman-Lemaître-Robertson-Walker, que modela un universo homogéneo e isótropo con un factor de escala a(t) que varía con el tiempo. Para facilitar los cálculos, los investigadores emplean la variable de tiempo conforme η, que reescala el tiempo de acuerdo con la expansión del universo.
En este escenario, el campo escalar obedece la ecuación de Klein-Gordon, cuya solución describe modos vibracionales del campo. Antes y después de la expansión cósmica, estos modos tienen frecuencias diferentes, lo que implica que el estado cuántico inicial del campo no es un estado de energía mínima después de la expansión. Como resultado, el número de partículas observadas en el nuevo estado ya no es cero, lo que sugiere que la expansión del universo ha generado partículas.
Circuito completo diseñado para medir el número de partículas térmicas creadas por una expansión homogénea e isótropa del universo. Crédito: Scientific Reports (2025). DOI: 10.1038/s41598-025-87015-6.
Implementación en una computadora cuántica
Para describir este proceso, los investigadores utilizan las denominadas transformaciones de Bogoliubov, que relacionan los modos del campo antes y después de la expansión. Estas transformaciones permiten calcular el número de partículas creadas y son esenciales para la simulación cuántica del fenómeno.
La computación cuántica ofrece una forma innovadora de estudiar estos efectos. A diferencia de las simulaciones clásicas, que requieren enormes recursos computacionales, los ordenadores cuánticos pueden representar estados cuánticos de manera natural. Para llevar a cabo la simulación, los investigadores emplean la plataforma de computación cuántica de IBM y diseñan un circuito cuántico que representa la evolución temporal del campo escalar en el universo en expansión.
El circuito cuántico se construye utilizando cuatro cúbits, donde cada uno de ellos representa una parte del sistema de dos modos vibracionales del campo. Los físicos emplean una codificación específica para asignar los estados del campo a los estados de los cúbits, restringiendo así la simulación a estados con un máximo de una excitación por modo. Luego, la evolución temporal del sistema se implementa mediante puertas cuánticas que reflejan la dinámica de la transformación de Bogoliubov.
Resultado: creación de partículas
Debido a la naturaleza ruidosa de los actuales ordenadores cuánticos (conocidos como dispositivos NISQ, Noisy Intermediate-Scale Quantum), la fidelidad de la simulación se ve afectada por errores en las operaciones cuánticas. Para mitigar este problema, los investigadores utilizan la técnica de extrapolación de ruido cero (ZNE, por sus siglas en inglés), que permite estimar los valores que se obtendrían en un sistema sin ruido.
Para evaluar la precisión de la simulación, los investigadores analizan el número de partículas creadas en función de la velocidad de expansión del universo, caracterizada por el parámetro ρ. Comparan los resultados obtenidos en la computadora cuántica con predicciones teóricas y simulaciones clásicas. Se observa que, si bien el ruido introduce ciertas desviaciones, la técnica de mitigación de errores mejora significativamente la precisión de los resultados.
El análisis muestra que el número de partículas creadas sigue la tendencia esperada: cuando la expansión es muy lenta (ρ queño), apenas se generan partículas, mientras que en expansiones rápidas (ρ grande), la producción de partículas se incrementa. Esto confirma que la computación cuántica puede capturar de manera efectiva este fenómeno cosmológico.
Medición de la fidelidad
La computación cuántica promete avances en física. «Siempre me ha fascinado el universo y sus fenómenos, por lo que me sentí naturalmente atraído por los campos cuánticos en el espacio-tiempo curvo. Esta investigación representa una intersección fascinante de estos dos campos, por lo que es una elección natural e inspiradora para mí», ha declarado Marco Maceda, uno de los autores del trabajo.
Para validar aún más la simulación, Maceda y Sabín calculan la fidelidad del estado cuántico obtenido con respecto a la predicción teórica. La fidelidad mide cómo de cerca está el estado simulado del estado esperado, con un valor de 1 que indica una coincidencia perfecta. Se encuentran así que, sin mitigación de errores, la fidelidad es baja, debido al ruido en las puertas cuánticas, pero al aplicar ZNE, la fidelidad mejora notablemente, demostrando la utilidad de estas técnicas en simulaciones cuánticas complejas.
Este estudio representa un avance significativo en la simulación digital de efectos cosmológicos mediante computación cuántica. Aunque los resultados actuales están limitados por la fidelidad de los dispositivos NISQ, el uso de técnicas de mitigación de errores permite obtener estimaciones útiles de la producción de partículas en un universo en expansión.
A largo plazo, el objetivo es realizar simulaciones con más modos y excitaciones, lo que requeriría más cúbits y mayor profundidad de circuito. Sin embargo, esto implica un aumento en la cantidad de puertas cuánticas y, por ende, en los errores acumulados. Por ello, el desarrollo de mejores técnicas de corrección de errores será crucial para llevar estas simulaciones al régimen en el que los cálculos clásicos se vuelven inviables.
Sin duda alguna, este trabajo demuestra que la computación cuántica puede proporcionar nuevas herramientas para explorar fenómenos fundamentales de la física teórica. Aunque estamos aún en una etapa inicial, el futuro promete simulaciones cuánticas cada vez más realistas y precisas, que podrían ofrecer nuevas perspectivas sobre la naturaleza del universo. ▪️
Fuente: Maceda, M. D., Sabín, C. Digital quantum simulation of cosmological particle creation with IBM quantum computers. Scientific Reports (2025). DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-87015-6
