El desarrollo de energía de fusión comercial requiere que los científicos comprendan procesos sostenibles que nunca antes habían existido en la Tierra. Pero, con tantas incógnitas, ¿cómo nos aseguramos de diseñar un dispositivo que pueda aprovechar con éxito la energía de fusión?
Podemos llenar las lagunas en nuestra comprensión utilizando herramientas computacionales como algoritmos y simulaciones de datos para entrelazar los datos experimentales y la teoría, lo que nos permite optimizar los diseños de dispositivos de fusión antes de construirlos, ahorrando mucho tiempo y recursos. Actualmente, se utilizan supercomputadores clásicos para ejecutar simulaciones de física de plasma y escenarios de energía de fusión, pero para abordar los muchos desafíos de diseño y operación que aún quedan, son necesarios ordenadores más potentes y de gran interés para los investigadores de plasma y físicos.
Las velocidades de cálculo exponencialmente más rápidas de las computadoras cuánticas han ofrecido a los científicos de plasma y fusión la posibilidad tentadora de acelerar enormemente el desarrollo de dispositivos de fusión. Las computadoras cuánticas podrían reconciliar los muchos parámetros de diseño de un dispositivo de fusión, como la forma del recipiente, el espaciado de los imanes y la ubicación de los componentes, con un mayor nivel de detalle, y también completar las tareas más rápido. Sin embargo, la actualización a una computadora cuántica no es una tarea sencilla.
En un artículo, «Mapas de Dyson y evolución unitaria para las ecuaciones de Maxwell en medios dieléctricos tensoriales», recientemente publicado en Physics Review A, Abhay K. Ram, un científico de investigación en el Centro de Ciencia y Fusión de Plasma del MIT (PSFC), y sus co-autores Efstratios Koukoutsis, Kyriakos Hizanidis, y George Vahala presentan un marco que facilitaría el uso de las computadoras cuánticas para estudiar las ondas electromagnéticas en el plasma y su manipulación en dispositivos de fusión de confinamiento magnético.
Las computadoras cuánticas son excelentes para simular fenómenos de física cuántica, pero muchos temas en física de plasma se basan en el modelo de física clásica. Un plasma (que es el «medio dieléctrico» al que se hace referencia en el título del artículo) consta de muchas partículas, electrones e iones, cuyos comportamientos colectivos se describen efectivamente usando la física estadística clásica. En contraste, los efectos cuánticos que influyen en las escalas atómicas y subatómicas se promedian en la física de plasma clásica.
Además, las limitaciones descriptivas de la mecánica cuántica no son adecuadas para el plasma. En un dispositivo de fusión, los plasmas se calientan y manipulan usando ondas electromagnéticas, que son uno de los fenómenos más importantes y omnipresentes en el universo. Los comportamientos de las ondas electromagnéticas, incluyendo cómo se forman las ondas e interactúan con su entorno, son descritos por las ecuaciones de Maxwell, un componente fundamental de la física de plasma clásica, y de la física general también. La forma estándar de las ecuaciones de Maxwell no se expresa en «términos cuánticos», por lo que la implementación de las ecuaciones en una computadora cuántica es como intentar meter un cuadrado en un agujero redondo: no funciona.
Por lo tanto, para que los físicos de plasma aprovechen el poder de la computación cuántica para resolver problemas, la física clásica debe traducirse al lenguaje de la mecánica cuántica. Los investigadores abordaron este desafío de traducción, y en su artículo, revelan que un mapa de Dyson puede cerrar la brecha de traducción entre la física clásica y la mecánica cuántica. Los mapas son funciones matemáticas que muestran cómo tomar una entrada de un tipo de espacio y transformarla en una salida que es significativa en un tipo de espacio diferente. En el caso de las ecuaciones de Maxwell, un mapa de Dyson permite que las ondas electromagnéticas clásicas se estudien en el espacio utilizado por las computadoras cuánticas. En esencia, reconfigura el cuadrado para que encaje en el agujero redondo sin comprometer ninguna física.
El trabajo también proporciona una plantilla de un circuito cuántico codificado con ecuaciones expresadas en bits cuánticos («qubits») en lugar de bits clásicos para que las ecuaciones puedan ser utilizadas en computadoras cuánticas. Lo más importante es que estas plantillas pueden ser codificadas y probadas en computadoras clásicas. «Durante años hemos estado estudiando los fenómenos de las ondas en la física del plasma y la ciencia de la energía de fusión utilizando técnicas clásicas. La computación cuántica y la ciencia de la información cuántica nos están desafiando a salir de nuestra zona de confort, asegurando así que no me he ‘acomodado demasiado'», dice Ram, citando una canción de Pink Floyd. Los mapas de Dyson y los circuitos del artículo han puesto el poder de la computación cuántica al alcance de la mano, acelerando una mejor comprensión de los plasmas y las ondas electromagnéticas, y acercándonos mucho más al diseño ideal del dispositivo de fusión.