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Un paso más para simular el mundo cuántico

Un estudio ha comparado la frecuencia con la que ocurre el tunelamiento cuántico en la realidad con las predicciones teóricas para afinar nuestra comprensión

Representación artística de partículas haciendo tunelamiento cuántico
Un paso más para simular el mundo cuánticoHarald-RitschUniversität Innsbruck/

Hay un mundo de lo diminuto y forma todo lo que vemos. Los átomos, en toda su pequeñez, están a su vez formados por otras partículas: electrones cargados eléctricamente que orbitan a su núcleo, constituido por neutrones con masa y protones con masa y carga eléctrica. Hasta aquí es lo que nos contaban en el instituto, pero podemos llevar este juego de muñecas rusas un paso más allá. Estos neutrones y protones (nucleones que se llaman por formar el núcleo) no son los constituyentes últimos de la realidad, podemos dividirlos en partículas menores que conocemos como fundamentales, en concreto, en el caso de los nucleones diremos que están formados por tríos de unas partículas conocidas como quarks. Esa es la escala en la que solemos pensar cuando nos hablan de física cuántica. La escala de lo infinitesimal, donde la física clásica “se rompe” y las reglas ya no nos parecen intuitivas. Sin embargo, estamos siendo cortos de miras.

Las extrañas propiedades cuánticas por las que un electrón puede estar en varios sitios simultáneamente o incluso atravesar barreras en teoría infranqueables no se presentan en nosotros en todo nuestro esplendor. Dicho de otro modo, un ser humano no puede comportarse como si fuera una de estas partículas, estamos bien determinados donde estamos. Esto ocurre porque a medida que las partículas se agregan interactúan entre ellas y con el entorno y estas propiedades cuánticas se “anulan” de algún modo en lo que conocemos como decoherencia. Sin embargo, hay todo un mundo de por medio entre las partículas fundamentales y estos animales de metro setenta de altura. La química, por ejemplo, todavía se ve muy afectada por estas propiedades cuánticas y una nueva investigación nos ha acercado un paso más a comprender la química cuántica para nuestro provecho.

Simulando la química

Estamos acostumbrados a simular de todo con los ordenadores, pero cuando hablamos de moléculas debemos tener en cuenta la cantidad de ellas que queremos simular y, por supuesto, con cuánto detalle pretendemos hacerlo. Estas simulaciones informáticas son claves para muchas investigaciones y, si queremos subrayar un ejemplo, posiblemente debamos quedarnos con el desarrollo de nuevos fármacos. Antes de probarlos en personas, antes incluso de probarlos en animales o cultivos celulares, las simulaciones informáticas nos ayudan a descartar moléculas que simplemente es muy poco factible que nos ofrezcan los resultados terapéuticos que buscamos. No obstante, las simulaciones no son perfectas y, en parte, se debe a que estamos simplificando muchos las reacciones que ocurren entre ellas.

Para que nos hagamos una idea, si tuviéramos en cuenta la mecánica cuántica en estas simulaciones (y deberíamos porque sabemos que a estas escalas es determinante), tendríamos problemas simulando la interacción de tres moléculas. Simular cuatro en estas condiciones sería prácticamente imposible. El problema es tan complejo y tan relevante que hace poco la farmacéutica Bayer llegó a un acuerdo con Google para utilizar sus procesadores de alta velocidad para hacer los cálculos de química cuántica que requieren sus simulaciones de fármacos. Sea como fuere, la realidad es que, a día de hoy, no tenemos la tecnología que nos gustaría para realizar la abrumadora cantidad de cálculos que requeriría un buen modelo de química cuántica aplicado a estas cuestiones farmacológicas. Por eso se abre una nueva pregunta: ¿cómo de inexactos son nuestros intentos de aproximarnos con simulaciones clásicas?

Una luz al final del túnel

Para responder a esta cuestión, un grupo de investigadores de la Universidad de Innsbruck ha realizado ha llevado a cabo un experimento para comparar sus resultados con los que teóricamente deberían darse. En concreto, han confirmado por primera vez un modelo teórico preciso del efecto túnel en una reacción química. El efecto túnel sería una propiedad de los sistemas cuánticos por la cual, simplificándolo mucho, podría superar una barrera para la que en realidad no habría tenido suficiente energía si hubiera tenido que superarla de forma clásica. Y, cuando decimos “barrera” no nos referimos necesariamente a algo físico. Puede ser que unas partículas no estén a la temperatura suficiente para reaccionar, pero tan cerca del límite que, de repente, una reaccione. Y, más o menos, eso es lo que han hecho los investigadores con moléculas de una “variedad” de hidrógeno llamada deuterio enfriado a temperaturas bajísimas y atrapada mediante electromagnetismo.

En el experimento se cuantificaron las reacciones ocurridas cada 15 minutos y, para alegría de todos, coincidían con las que otros físicos habían estimado en el año 2018: 1 reacción por cada 100 mil millones de colisiones. Esto no solo nos permite comparar nuestras predicciones con la realidad, sino afinar nuestros modelos para, de algún modo, crear versiones simplificadas que, si bien no dan cuenta de todas las propiedades cuánticas, nos ayudan a predecir mejor el comportamiento de las moléculas.

QUE NO TE LA CUELEN:

  • ·Es posible que escuches que nosotros también nos podemos comportar con estas propiedades cuánticas y, en teoría, no sería del todo imposible, pero la probabilidad de que tal cosa suceda es absolutamente insignificante, despreciable hasta el punto de que podemos asegurar que, en la práctica, es nula. Para hacernos una idea, en el experimento había un efecto túnel por cada 100 mil millones de colisiones. Puede parecer extremadamente poco (y lo es), pero comparado con la probabilidad de que nosotros experimentemos un túnel cuántico sería altísima.

REFERENCIAS (MLA):

  • ·Tunneling measured in a very slow ion-molecule reaction. Robert Wild, Markus Nötzold, Malcolm Simpson, Thuy Dung Tran, and Roland Wester. Nature 2023 DOI: 10.1038/s41586-023-05727-z [[LINK:EXTERNO|||https://www.nature.com/articles/s41586-023-05727-z">]]