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Los investigadores recurren al poder de la computación cuántica para simular y estudiar núcleos atómicos

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Veamos, pensó James Vary, ¿cómo podemos divertirnos un poco con el nombre de nuestro proyecto de física nuclear de un millón de dólares?

Hmm, ¿podemos trabajar en el término hack?

Entonces, es «Núcleos y hadrones con computadoras cuánticas». O, «NuHaQ», para abreviar.

James Vary y sus colaboradores harán la transición de sus simulaciones de núcleos atómicos de computadoras clásicas de alto rendimiento a computadoras cuánticas de próxima generación.  Foto de Christopher Gannon/Universidad Estatal de Iowa.

James Vary y sus colaboradores harán la transición de sus simulaciones de núcleos atómicos de computadoras clásicas de alto rendimiento a computadoras cuánticas de próxima generación. Foto de Christopher Gannon/Universidad Estatal de Iowa.

«Es un despegue en ‘hack'», dijo Vary, profesor de la Universidad Estatal de Iowa de física y astronomía y líder de un nuevo proyecto respaldado por una subvención de $ 1 millón de tres años de la Departamento de Energía de EE. UU.. En los círculos académicos de informática, “ser un buen hacker es un cumplido positivo. A los hackers les encanta resolver estos problemas”.

En este caso, Vary y los investigadores colaboradores del estado de Iowa, Universidad de Tufts en Massachusetts y el Departamento de Energía de EE.UU. Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en California tienen algunos problemas muy difíciles de resolver.

Su objetivo es descubrir cómo utilizar la computación cuántica, una tecnología emergente con enorme poder, velocidad y potencial, para simular todas las fuerzas naturales dentro del núcleo de un átomo.

¿Pero no sabemos ya mucho sobre los núcleos atómicos? Después de todo, fue en 1911 cuando ernesto rutherford (quien ganó el 1908 Premio Nobel de Química para estudios de radiación) publicó un artículo con la primera descripción del núcleo de un átomo, descubierto cuando las partículas golpean átomos de oro y de alguna manera se dispersan hacia atrás. (Resulta que rebotaron en los núcleos densos de los átomos, sus núcleos).

Bueno, escribieron Vary y sus colegas en un resumen del proyecto: «Los núcleos atómicos comprenden más del 99% de la materia visible en el universo, pero no se entienden bien en términos de las leyes fundamentales de la naturaleza».

¿Cómo, por ejemplo, se formaron los núcleos en el Big Bang que creó el universo? ¿O cómo se forman los núcleos en los procesos que crean una supernova, una estrella masiva, moribunda y explosiva?

Se busca: aún más poder de cómputo

Vary y sus colegas han simulado las fuerzas dentro de los núcleos compitiendo con éxito por el tiempo en las supercomputadoras más poderosas del mundo. Eso incluye la «Supercomputadora Fugaku» del Centro RIKEN de Ciencias Computacionales de Japón, una máquina que ocupó el puesto número 2 en la última “TOP500” Ranking de las supercomputadoras del mundo. Entre junio de 2020 y noviembre de 2021 ocupó el puesto número 1 en la lista que se publica cada junio y noviembre.

“Nuestra investigación está en el borde extremo de lo que las computadoras clásicas son capaces de hacer actualmente”, dijo Vary. “Entonces, debemos buscar esa próxima capacidad, el siguiente nivel de computadoras. Siempre somos muy conscientes de los límites de las computadoras con las que trabajamos”.

Han intentado agregar algunas herramientas de inteligencia artificial a su trabajo con computadoras de alto rendimiento. Si bien eso comienza a revelar algunos de los mecanismos internos de los núcleos más pequeños, también revela algunos límites.

“La inteligencia artificial nos ha dado una mirada al reino en el que aún no podemos entrar”, dijo Vary.

Para llegar allí, Vary y sus colaboradores: Pieter Maris, Glenn Luecke (retirado) y Weijie Du (investigador asociado posdoctoral) del estado de Iowa; Peter Love y Gary Goldstein de Tufts; y Chao Yang de Berkeley Lab, están recurriendo a la computación cuántica.

“La computación cuántica cambia las reglas del juego”, dijo Vary sobre la generación emergente de poder de cómputo que se basa en la mecánica y las energías en las escalas atómica y subatómica del mundo cuántico. “Es un ámbito totalmente diferente con potencial para capacidades inmensas mucho más allá de lo que pueden hacer las computadoras actuales de alto rendimiento”.

La tecnología cuántica significa que los investigadores podrían tener el poder de cómputo para comenzar a simular y estudiar núcleos atómicos medianos y grandes, y su mayor cantidad de protones y neutrones.

Vary dijo que la primera tarea de los investigadores será identificar los problemas de física nuclear que pueden ayudarlos a desarrollar y probar herramientas de computación cuántica. Dijo que los investigadores trabajarían con los fabricantes para obtener acceso a las computadoras cuánticas más nuevas. Y luego desarrollarán las nuevas instrucciones computacionales paso a paso (los algoritmos, esquemas y códigos) necesarios para hacer la transición de su trabajo a la tecnología cuántica.

Esperan que el trabajo conduzca a «nuestro objetivo final de lograr una ventaja cuántica», escribieron los investigadores. Eso sería que las computadoras cuánticas se convirtieran en la mejor herramienta para modelar y estudiar núcleos y todas las fuerzas fundamentales dentro de ellos. Y serían investigadores y estudiantes utilizando plenamente sus nuevas herramientas cuánticas.

Un nuevo truco, de hecho.

Fuente: Universidad del Estado de Iowa

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