Proyecto liderado por académico USS explora el futuro de la física teórica desde la computación cuántica

Muchas veces, lo que limita el avance de una disciplina no es la falta de ideas, sino los medios para desarrollarlas; algo que en física teórica se hace evidente en ciertos cálculos que están fuera del alcance de los recursos computacionales actuales. En esa frontera entre teoría y capacidad de cómputo surge QASAR, iniciativa liderada por Marco Bianchi, académico de la Universidad San Sebastián, adjudicada en el concurso Proyectos de Exploración 2025 de ANID. Su objetivo: explorar si los computadores cuánticos son la clave para superar estos límites y, de ser así, abrir un nuevo capítulo en la física teórica.

Uno de los desafíos que gatillan el proyecto aparece al intentar predecir el resultado de colisiones entre partículas más pequeñas que el átomo, como las que se generan en los experimentos del CERN. Esa capacidad de predicción es esencial para comprobar si las teorías fundamentales de la física coinciden con lo que ocurre en los experimentos y, con ello, entender mejor cómo funciona el universo en su escala más elemental. La teoría cuántica de campos permite hacer estas predicciones, pero requiere calcular las contribuciones de miles o incluso millones de diagramas de Feynman: representaciones simbólicas de todas las formas posibles en que las partículas pueden interactuar.

La siguiente animación muestra un evento de colisión real registrado en el CERN. Este tipo de registros permite comparar las predicciones teóricas con los resultados experimentales:

Para estimar lo que ocurrirá en esas colisiones, cada diagrama se traduce en integrales, operaciones matemáticas exigentes que suelen obstaculizar el cálculo completo. Desde hace décadas, se emplea para ello un método conocido como reducción por identidades de integración por partes (IBP), que permite agrupar esas operaciones en un subconjunto más pequeño de “integrales maestras”.

Pero el propio proceso de reducción IBP es altamente demandante: genera sistemas de ecuaciones tan grandes que, incluso con supercomputadores, algunos cálculos no pueden completarse. Ese cuello de botella es hoy uno de los mayores límites para avanzar en la física teórica de partículas.

La reducción por IBP está muy desarrollada desde el punto de vista teórico, pero hay un obstáculo práctico: la complejidad de algunos cálculos los vuelve inalcanzables con los recursos actuales. En casos habituales, pueden requerir cómputo en un supercomputador, equivalente a cientos de computadores personales, durante semanas. Ahí es donde la computación cuántica podría marcar la diferencia”, señala Marco Bianchi.

Una nueva herramienta para un viejo problema

La computación cuántica es una tecnología emergente que, a diferencia de la computación clásica (basada en bits que representan ceros o unos), opera con qubits: unidades que pueden estar en múltiples estados a la vez gracias al fenómeno de la superposición cuántica. Esta característica permite procesar muchas soluciones posibles en paralelo, lo que abre una nueva escala de eficiencia para enfrentar ciertos problemas matemáticos particularmente complejos, como los involucrados en la predicción del comportamiento de las partículas subatómicas.

Justamente, QASAR busca canalizar ese potencial mediante el diseño de nuevos algoritmos compatibles con computadores cuánticos que permitan abordar la reducción IBP y resolver esos cálculos hoy inabordables, iniciando así un camino inexplorado.

Dr. Marco Bianchi

Hasta ahora, la relación entre la física de altas energías y la computación cuántica es incipiente. Lo que distingue a QASAR es su enfoque en escollos matemáticos que subyacen a las teorías fundamentales, cuya simplificación es clave para dar el salto. Se trata, así, de una propuesta sin precedentes, con un carácter incierto alineado con la lógica del concurso ANID que la financia; una apuesta que asume riesgos, motivada por el potencial transformador del resultado. Como señala el Dr. Bianchi, “demostrar que un algoritmo cuántico puede superar a los métodos clásicos, incluso en un caso controlado, sería una validación contundente de su potencial”.

Conectando disciplinas y territorios

Este proyecto naciente se distingue por cruzar fronteras académicas y geográficas. Si bien se coordina desde la Universidad San Sebastián en Santiago, involucra a investigadores de la Universidad del Bío-Bío en Chillán (York Schröder), del CECs y USS sede Valdivia (Fabrizio Canfora), de la Universidad Técnica Federico Santa María (Ariel Norambuena) y de la Universidad de Santiago (Francisco Albarrán —codirector del proyecto—, Francisco Correa y Guillermo Romero).

Esta distribución disciplinaria y territorial permitirá descentralizar actividades, además de combinar experticia en física teórica, álgebra computacional y desarrollo de los algoritmos cuánticos. Esa convergencia es parte esencial del enfoque de QASAR: habilita nuevas aproximaciones al problema, a la vez que contribuye a formar capacidades en los cruces entre estas disciplinas. “No se trata sólo de resolver un problema puntual, es también abrir un nuevo espacio de trabajo interdisciplinario”, agrega Marco Bianchi, miembro del claustro académico del Doctorado en Física Teórica.

Durante sus cuatro años de ejecución, el proyecto contempla etapas sucesivas de diseño, prueba y validación de algoritmos (primero en simuladores y luego en hardware cuántico real), en paralelo al desarrollo de vínculos internacionales, actividades de divulgación y de formación para estudiantes de pre y postgrado.

QASAR, en suma, propone una exploración que articula saberes, territorios y tecnologías para abordar un problema no resuelto, trazando un camino nuevo que se define a medida que avanza.