Un estudio cuántico arroja nueva luz sobre cómo los neutrinos alimentan las supernovas

Los investigadores han utilizado simulaciones cuánticas para obtener nuevos conocimientos sobre la naturaleza de los neutrinos (las misteriosas partículas subatómicas esparcidas por todo el universo) y su papel en la muerte de estrellas masivas.

el Estancia Cuente con el apoyo del Programa de Usuarios de Computación Cuántica, o QCUP, y el Centro de Ciencia Cuántica, un centro nacional para la investigación de la ciencia de la información cuántica, en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del DOE. El trabajo está publicado en la revista. Cartas de revisión física.

«Esta comprensión era algo nuevo que no había surgido de los sistemas informáticos clásicos», dijo Martin Savage, autor principal del estudio y profesor de física en la Universidad de Washington.

«Nos damos cuenta por primera vez de que podemos estudiar cómo se produce el entrelazamiento entre múltiples neutrinos a lo largo del tiempo, y estos resultados están dentro de los límites de error de lo que esperaríamos de una computadora clásica. Es un paso en la dirección de tecnologías mejores y más precisas. y simulaciones cuánticas más escalables».

Los neutrinos se producen por reacciones nucleares, desde las masivas que hacen brillar el sol hasta las pequeñas que permiten utilizar trazadores radiactivos para pruebas médicas. Estas partículas extremadamente ligeras aparecen en todas partes, no llevan carga eléctrica y rara vez interactúan con otra materia.

Pero a medida que la estrella colapsa y explota (un proceso conocido como supernova), los neutrinos intercambian energía e impulso no sólo entre sí sino con todo lo que los rodea.

«En este punto, los neutrinos pasan de ser partículas pasivas (casi espectadores) a elementos principales que ayudan a impulsar el colapso», dijo Savage. «Las supernovas son interesantes por varias razones, incluidos los sitios que producen elementos pesados ​​como el oro y el hierro. Si podemos comprender mejor los neutrinos y su papel en el colapso de las estrellas, podremos determinar y predecir mejor la tasa de eventos similares a las estrellas». supernova”.

Los científicos rara vez observan supernovas de cerca, pero los investigadores han utilizado supercomputadoras clásicas como la Summit de ORNL para modelar aspectos del proceso. Estas herramientas por sí solas no serán suficientes para captar la naturaleza cuántica de los neutrinos.

«Estos neutrinos están entrelazados, lo que significa que interactúan no sólo con su entorno, no sólo con otros neutrinos sino también con ellos mismos», dijo Savage.

«Este tipo de sistema es muy difícil de simular, porque el entrelazamiento es una propiedad intrínsecamente mecánica cuántica que va más allá de lo que podemos capturar y aproximar en la computación clásica. Por eso necesitamos una computadora cuántica que utilice cálculos basados ​​en la física cuántica para modelar lo que está sucediendo en.»

Savage y su coautor Mark Ella, del InQubator de la Universidad de Washington para simulación cuántica, obtuvieron tiempo en la computadora cuántica H1-1 de Quantinuum a través de QCUP, parte de Leadership Computing Facility en Oak Ridge, que brinda tiempo a procesadores cuánticos de propiedad privada en todo el mundo. país para apoyar proyectos de investigación. Una computadora cuántica utiliza iones atrapados en forma de qubits y es uno de varios métodos de computación cuántica.

Las computadoras clásicas almacenan información en bits iguales a 0 o 1. En otras palabras, un bit clásico, como un interruptor de luz, existe en uno de dos estados: encendido o apagado.

Las computadoras cuánticas almacenan información en qubits, el equivalente cuántico de los bits. Los qubits, a diferencia de los bits clásicos, pueden existir en más de un estado simultáneamente mediante superposición cuántica, como un dial con una gama más amplia de configuraciones más detalladas que un interruptor de encendido/apagado. Esta diferencia permite que los qubits transporten más información que los bits tradicionales. Los científicos esperan utilizar esta mayor capacidad para impulsar la revolución de la computación cuántica basada en una nueva generación de dispositivos.

Esta capacidad permitió a Savage y al equipo de investigación simular aproximadamente las interacciones de la mecánica cuántica entre los neutrinos de supernova. Una supernova real contendría al menos un septandicillón, o 10⁵⁴Neutrinos. Savage y Ella comenzaron su simulación utilizando un modelo más simple con un sistema de 12 neutrinos.

Cada «sabor» o tipo de neutrino que se encuentra en la naturaleza corresponde a una partícula «compañera»: un electrón, un muón o tau. El modelo utilizado en el estudio se centró en sólo dos sabores.

Los circuitos cuánticos (el equivalente cuántico de los circuitos digitales tradicionales) permitieron al equipo diseñar enlaces e interacciones complejos entre partículas para que cada neutrino pudiera interactuar con todos los demás neutrinos, no solo con sus vecinos más cercanos.

Los resultados proporcionaron una aproximación realista de cómo se entrelazan los neutrinos a nivel cuántico, de modo que cambiar las propiedades de uno también cambia las propiedades del otro. Durante una supernova, los neutrinos pueden cambiar de sabor de electrón a muón o tau cuando los neutrinos comienzan a interactuar entre sí y con su entorno. Los detalles proporcionados por las simulaciones permitieron al equipo medir la evolución de un sabor a otro a lo largo del tiempo de varios neutrinos entrelazados.

¿Por qué realizar un seguimiento de la conversión de sabores? Porque los sabores mu y tau de los neutrinos interactúan de manera diferente con la materia que sus homólogos con sabor electrónico. Estas interacciones pueden afectar las cantidades y tipos de elementos más pesados ​​producidos en la explosión de una supernova.

«Resulta que estos circuitos se aproximan muy bien al comportamiento de los neutrinos», dijo Savage. «Descubrimos que podíamos utilizar esta simulación para medir el entrelazamiento de neutrinos de una manera estadísticamente significativa, y que podíamos determinar un gran volumen a medida que aumentaba el número de neutrinos. Esta fue la primera vez que se realizó este tipo de estudio».

El principal obstáculo para las simulaciones cuánticas útiles ha sido la tasa de error relativamente alta resultante del ruido que reduce la calidad de los qubits. El problema es tan común que la generación actual de computadoras cuánticas se conoce como Quantum ruidoso intermedio o NISQ.

Varios métodos de programación pueden ayudar a reducir estos errores, pero Savage e Illa no los necesitaron para realizar su estudio gracias a la alta calidad de los qubits y puertas del ordenador Quantinuum. Los circuitos informáticos de 12 qubits han demostrado ser suficientes para aproximadamente 200 puertas de 2 qubits.

«Descubrimos que los errores sistemáticos en los dispositivos cuánticos eran menores que los errores estadísticos», dijo Savage. “Todavía tenemos un largo camino por recorrer para predecir con precisión el comportamiento de los grandes sistemas de neutrinos y no sabemos si la generación actual de máquinas NISQ puede llevarnos allí, pero esta técnica debería ser transferible a otros tipos de computadoras cuánticas. Los resultados nos ayudan a establecer «Protocolos que pueden usarse para simular sistemas más grandes de neutrinos».

Los próximos pasos implican simular un sistema con hasta 50 neutrinos. Savage espera diseñar tales sistemas en una variedad de entornos.

«Queremos comprender las implicaciones de los diferentes estados térmicos y de los estados dentro y fuera del equilibrio», dijo. «Estamos entusiasmados de ver qué podemos explorar».