Los científicos logran un avance en la comprensión de los patrones y estructuras de la turbulencia en los fluidos

Los científicos han dado un importante paso adelante en la comprensión de la turbulencia, un fenómeno caótico observado en sistemas naturales como el agua en movimiento, las corrientes oceánicas, el flujo sanguíneo e incluso las nubes de tormenta.

Durante más de 200 años, los físicos han luchado por simular y predecir con precisión la turbulencia, que implica movimientos complejos de fluidos que forman grandes vórtices giratorios que se descomponen en vórtices más pequeños.

Sin embargo, un nuevo método inspirado en la computación cuántica podría cambiar esto.

Enfoque inspirado en la mecánica cuántica para comprender el comportamiento de fluidos complejos

En un estudio publicado el 29 de enero en Science Advances, un equipo internacional de científicos reveló un nuevo enfoque para simular la turbulencia que aprovecha los principios de la computación cuántica.

Este avance es crucial porque modelar con precisión los flujos turbulentos puede tener beneficios de gran alcance, desde mejorar el diseño de aviones y automóviles hasta mejorar la predicción del clima e incluso avanzar en dispositivos médicos como corazones artificiales.

El autor principal del estudio, Nik Gourianov, físico de la Universidad de Oxford, explicó que si bien las simulaciones tradicionales de turbulencia se basan en métodos deterministas (lo que significa que, dadas condiciones específicas, siempre producen el mismo resultado), la nueva investigación introduce un enfoque probabilístico.

What sets this work apart

Este método tiene en cuenta las fluctuaciones naturales y las variaciones aleatorias dentro de los flujos turbulentos.

Lo que distingue a este trabajo es el uso de algoritmos inspirados en la computación cuántica.

Las computadoras cuánticas procesan información de maneras diferentes a las computadoras clásicas.

Mientras que las computadoras tradicionales utilizan bits (0 o 1), las computadoras cuánticas utilizan bits cuánticos, o qubits , que pueden existir en múltiples estados simultáneamente.

Esto permite a los científicos simular la turbulencia en una fracción del tiempo que normalmente tomaría con una supercomputadora.

El equipo de investigación pudo completar simulaciones en horas que habrían tardado días utilizando algoritmos clásicos.

James Beattie, investigador postdoctoral de la Universidad de Princeton, elogió el nuevo método por su capacidad para reducir el uso de memoria y acelerar significativamente los cálculos.

Este avance es especialmente importante para las simulaciones de fluidos, que pueden involucrar variables complejas.

Beattie señaló que el enfoque del equipo podría hacer que tales simulaciones se ejecuten en hardware más accesible, incluso en una computadora portátil.

A pesar de este progreso, los autores del estudio reconocen que todavía queda mucho más por descubrir.

El desafío de simular la turbulencia radica en su naturaleza multi-escala, lo que significa que los flujos turbulentos pueden abarcar un enorme rango de tamaños, desde escalas microscópicas hasta vastos fenómenos cósmicos.

Modelar con precisión estas escalas variables en una sola simulación sigue siendo un problema difícil, que requiere una memoria y un cálculo sustanciales.

Beattie enfatizó que comprender cómo interactúan diferentes escalas es esencial para resolver el rompecabezas de la turbulencia.

El equipo de Gourianov ha logrado avances impresionantes, pero los expertos coinciden en que la solución al problema de la turbulencia está lejos de estar completa.

Si bien este nuevo enfoque reduce significativamente la complejidad computacional, no aborda completamente cómo los vórtices de diferentes tamaños en flujos turbulentos se relacionan entre sí.

El siguiente paso en la investigación de la turbulencia implicará el desarrollo de nuevos algoritmos y sistemas informáticos que puedan abordar estos desafíos de manera más efectiva.

La turbulencia ha sido considerada durante mucho tiempo uno de los problemas más esquivos de la física.

A pesar de décadas de investigación, una solución completa sigue estando fuera de alcance.

Sin embargo, los últimos hallazgos de Gourianov y su equipo nos acercan un paso más a desentrañar las complejidades de la turbulencia.