En 1973, el físico Philip W. Anderson teorizó la existencia de un nuevo estado de la materia que ha sido un foco importante del campo, especialmente en la carrera por las computadoras cuánticas.
Este extraño estado de la materia se llama líquido de espín cuántico y, contrariamente al nombre, no tiene nada que ver con los líquidos cotidianos como el agua. En cambio, se trata de imanes que nunca se congelan y de la forma en que giran los electrones en ellos. En los imanes regulares, cuando la temperatura desciende por debajo de cierta temperatura, los electrones se estabilizan y forman una pieza sólida de materia con propiedades magnéticas. En el líquido de espín cuántico, los electrones no se estabilizan cuando se enfrían, no se forman en un sólido y cambian constantemente.y fluctuando como un líquido en uno de los estados cuánticos más entrelazados jamás concebidos.
Las diferentes propiedades de los líquidos de espín cuántico tienen aplicaciones prometedoras que pueden usarse para hacer avanzar las tecnologías cuánticas, como los superconductores de alta temperatura y las computadoras cuánticas. Pero el problema de este estado de la materia ha sido su propia existencia. Nadie lo había visto nunca.- al menos, ese había sido el caso durante casi 50 años.
Hoy, un equipo de físicos dirigido por Harvard dijo que finalmente han documentado experimentalmente este estado exótico de la materia tan buscado durante mucho tiempo. El trabajo se describe en un nuevo estudio en la revista ciencia y marca un gran paso para poder producir este estado elusivo a pedido y obtener una comprensión novedosa de su naturaleza misteriosa.
"Es un momento muy especial en el campo", dijo Mikhail Lukin, profesor de física George Vasmer Leverett, codirector de la Iniciativa Cuántica de Harvard HQI y uno de los autores principales del estudio.realmente puede tocar, pinchar y pinchar este exótico estado y manipularlo para comprender sus propiedades ... Es un nuevo estado de la materia que la gente nunca ha podido observar ".
Los aprendizajes de esta investigación científica podrían algún día proporcionar avances para diseñar mejores materiales y tecnología cuántica. Más específicamente, las propiedades exóticas de los líquidos de espín cuántico podrían ser la clave para crear bits cuánticos más robustos, conocidos como qubits topológicos, quese espera que sean resistentes al ruido y a las interferencias externas.
"Eso es un sueño en computación cuántica", dijo Giulia Semeghini, becaria postdoctoral en el Centro de Óptica Cuántica Harvard-Max Planck y autora principal del estudio. "Aprender a crear y usar tales qubits topológicos representaría un paso importantehacia la realización de computadoras cuánticas confiables ".
El equipo de investigación se propuso observar este estado de la materia similar a un líquido utilizando el simulador cuántico programable que el laboratorio desarrolló originalmente en 2017. El simulador es un tipo especial de computadora cuántica que permite a los investigadores crear formas programables como cuadrados, panales,o redes triangulares para diseñar diferentes interacciones y entrelazamientos entre átomos ultrafríos. Se utiliza para estudiar una serie de procesos cuánticos complejos.
La idea de usar el simulador cuántico es poder reproducir la misma física microscópica que se encuentra en los sistemas de materia condensada, especialmente con la libertad que permite la programabilidad del sistema.
"Puede separar los átomos tanto como desee, puede cambiar la frecuencia de la luz láser, realmente puede cambiar los parámetros de la naturaleza de una manera que no podría en el material donde se estudiaron estas cosas anteriormente", dijo el coautor del estudio Subir Sachdev, profesor de Física Herchel Smith y actual profesor visitante distinguido de Maureen y John Hendricks en el Instituto de Estudios Avanzados." Aquí, puedes mirar cada átomo y ver lo que está haciendo ".
En los imanes convencionales, los giros de electrones apuntan hacia arriba o hacia abajo en un patrón regular. En el imán de refrigerador de todos los días, por ejemplo, todos los giros apuntan hacia la misma dirección. Esto sucede porque los giros generalmente funcionan en un patrón de casilla de verificación y pueden emparejarsepara que apunten en la misma dirección o alternando, manteniendo un cierto orden.
Los líquidos de espín cuántico no muestran nada de ese orden magnético. Esto sucede porque, esencialmente, se agrega un tercer espín, lo que convierte el patrón de casilla de verificación en un patrón triangular. Mientras que un par siempre puede estabilizarse en una dirección u otra, en un triángulo, el tercer espín siempre será el electrón impar. Esto lo convierte en un imán "frustrado" donde los espines del electrón no pueden estabilizarse en una sola dirección.
"Esencialmente, están en diferentes configuraciones al mismo tiempo con cierta probabilidad", dijo Semeghini. "Esta es la base de la superposición cuántica".
Los científicos de Harvard usaron el simulador para crear su propio patrón de celosía frustrado, colocando los átomos allí para interactuar y entrelazarse. Luego, los investigadores pudieron medir y analizar las cadenas que conectaban los átomos después de que toda la estructura se enredaba. La presencia y el análisisde esas cadenas, que se denominan cadenas topológicas, significaba que estaban ocurriendo correlaciones cuánticas y que había surgido el estado líquido de espín cuántico de la materia.
El trabajo se basa en predicciones teóricas anteriores de Sachdev y su estudiante graduado, Rhine Samajdar, y en una propuesta específica de Ashvin Vishwanah, profesor de física de Harvard, y Ruben Verresen, becario postdoctoral de HQI. El experimento se realizó en colaboración conel laboratorio de Markus Griener, codirector del Centro de Investigación Max Planck-Harvard de Óptica Cuántica y profesor de Física George Vasmer Leverett, y científicos de la Universidad de Innsbruck y QuEra Computing en Boston.
"El vaivén entre la teoría y el experimento es extremadamente estimulante", dijo Verresen. "Fue un momento hermoso cuando se tomó la instantánea de los átomos y la configuración del dímero anticipada nos miró a la cara.decir que no esperábamos que nuestra propuesta se hiciera realidad en cuestión de meses ".
Después de confirmar la presencia de líquidos de espín cuántico, los investigadores recurrieron a la posible aplicación de este estado de la materia para crear qubits robustos. Realizaron una prueba de concepto que mostró que algún día podría ser posible crear estos qubits cuánticosbits colocando los líquidos de espín cuántico en una matriz geométrica especial utilizando el simulador.
Los investigadores planean usar el simulador cuántico programable para continuar investigando los líquidos de espín cuántico y cómo se pueden usar para crear los qubits más robustos. Los qubits, después de todo, son los bloques de construcción fundamentales sobre los que se ejecutan las computadoras cuánticas y la fuente desu enorme poder de procesamiento.
"Mostramos los primeros pasos sobre cómo crear este qubit topológico, pero aún tenemos que demostrar cómo se puede codificar y manipular", dijo Semeghini. "Ahora hay mucho más por explorar".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Harvard . Original escrito por Juan Siliezar. Nota: el contenido puede editarse por estilo y longitud.
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