UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID

La prestigiosa publica un trabajo internacional dirigido por la UCM que demuestra que es posible utilizar simuladores cuánticos en el estudio de nuevas áreas de la Física, en concreto en el electromagnetismo del axión

Un reciente trabajo (http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.105.190404) publicado en la prestigiosa Physical Review Letters () -la de máximo impacto en su campo- por los físicos de la Universidad Complutense de Madrid Alejandro Bermúdez y Miguel Ángel Martín-Delgado (Facultad de Ciencias Físicas) consigue mostrar que es posible abordar mediante simuladores cuánticos nuevas áreas de la Física, en particular un nuevo tipo de electromagnetismo exótico llamado axiónico que abre las puertas a la simulación en el laboratorio de monopolos magnéticos cargados y partículas de carga fraccionaria. Otra posible aplicación son los aislantes topológicos en 3 dimensiones espaciales (hasta ahora solo posible en sistemas bidimensionales) para los que se vislumbran numerosas aplicaciones.

Un simulador cuántico es una variante de un ordenador cuántico que permite superar a los ordenadores convencionales en la comprensión de los sistemas cuánticos complejos. Hasta ahora estos se limitaban a ciertos casos en materia condensada. Hay dos aspectos fundamentales que hacen estos dispositivos atractivos para los científicos. Por una parte, los simuladores cuánticos jugarán un papel clave en la clarificación de algunos problemas de la física teórica, importantes y aún no resueltos. Por otra, el conocimiento profundo de tales fenómenos dará lugar a aplicaciones tecnológicas muy útiles.

Uno de los mejores simuladores cuánticos contiene un gas, de átomos extremadamente fríos, inmerso en un cristal artificial hecho de luz: una red óptica. Físicos experimentales han desarrollado técnicas eficientes de control de las propiedades cuánticas de este sistema, hasta tal punto que sirve como simulador cuántico ideal para diferentes fenómenos.

Hasta ahora los esfuerzos han sido dirigidos hacia los sistemas de la materia condensada, donde todavía hay muchos problemas abiertos que son interesantes y están pendientes de solución. En el trabajo recientemente publicado en Physical Review Letters por una colaboración internacional de varios equipos (Universidad Complutense de Madrid: A. Bermudez y M.Á. Martín-Delgado; ICFO Barcelona: M. Lewenstein; Max-Planck Institute Garching: L. Mazza, M. Rizzi; Universite de Brussels: N. Goldman), se ha demostrado que esta plataforma es un simulador cuántico de sistemas en física de alta energía. Los autores han propuesto una configuración limpia y controlable donde aparece una variedad de fenómenos exóticos, pero que todavía no han sido observados. Describen cómo construir un simulador cuántico de la Electrodinámica del Axión (física de alta energía), y aislantes topológicos de 3D (materia condensada). En particular estos resultados abren el camino para la fabricación de un axión, una partícula largamente buscada en el modelo estándar de partículas elementales.

Los autores muestran también que su dispositivo atómico constituye un medio axiónico, donde un orden topológico subyacente da lugar a un campo axiónico distinto de cero. Además, demuestran cómo el valor del axión puede alcanzar valores arbitrarios, y cómo su dinámica y dependencia espacial pueden ser controladas experimentalmente. En consecuencia, su simulador con redes ópticas ofrece una posibilidad única de observar diversos efectos, tales como el efecto Witten, efectos de agujero de gusano o un condensador de carga fraccionada, en los laboratorios de física atómica.

Este trabajo tiene un carácter interdisciplinar, ya que reúne a físicos especializados en teorías gauge en retículos (las teorías de gauge se basan en la idea de que las transformaciones de simetría se pueden realizar sólo localmente), en física atómica, molecular, óptica y en la física de la materia condensada.