Utilizando un pequeño sistema cuántico que consta de tres qubits superconductores, los investigadores de la Universidad de California en Santa Bárbara y Google han descubierto un vínculo entre los aspectos de la física clásica y cuántica que no se consideran relacionados: el caos clásico y el entrelazamiento cuántico. Sus hallazgos sugieren que sería posibleusar sistemas cuánticos controlables para investigar ciertos aspectos fundamentales de la naturaleza.
"Es sorprendente porque el caos es este concepto totalmente clásico: no hay idea del caos en un sistema cuántico", Charles Neill, investigador del Departamento de Física de la UCSB y autor principal de un artículo que aparece en Física de la naturaleza . "Del mismo modo, no existe un concepto de enredo dentro de los sistemas clásicos. Y, sin embargo, resulta que el caos y el enredo están realmente muy fuertemente y claramente relacionados".
Iniciada en el siglo XV, la física clásica generalmente examina y describe sistemas más grandes que los átomos y las moléculas. Consiste en cientos de años de estudio, incluidas las leyes de Newton del movimiento, la electrodinámica, la relatividad, la termodinámica y la teoría del caos: lacampo que estudia el comportamiento de sistemas altamente sensibles e impredecibles. Un ejemplo clásico de la teoría del caos es el clima, en el que un cambio relativamente pequeño en una parte del sistema es suficiente para frustrar las predicciones y los planes de vacaciones en cualquier parte del mundo..
Sin embargo, en escalas de tamaño y longitud más pequeñas en la naturaleza, como las que involucran átomos y fotones y sus comportamientos, la física clásica se queda corta. A principios del siglo XX surgió la física cuántica, con su ciencia aparentemente contraintuitiva y a veces controvertida, incluidas las nocionesde superposición la teoría de que una partícula puede ubicarse en varios lugares a la vez y enredarse las partículas que están profundamente unidas se comportan como tales a pesar de la distancia física entre ellas.
Y así comenzó la búsqueda continua de conexiones entre los dos campos.
Según Neill, todos los sistemas son fundamentalmente sistemas cuánticos, pero los medios para describir en sentido cuántico el comportamiento caótico de, por ejemplo, las moléculas de aire en una habitación evacuada, siguen siendo limitados.
Imagine tomar un globo lleno de moléculas de aire, etiquetarlas de alguna manera para poder verlas y luego liberarlas en una habitación sin moléculas de aire, señaló el coautor e investigador de UCSB / Google, Pedram Roushan. Un posible resultado es que el airelas moléculas permanecen agrupadas en una pequeña nube siguiendo la misma trayectoria alrededor de la habitación y, sin embargo, continuó, como probablemente podemos intuir, las moléculas probablemente despegarán en una variedad de velocidades y direcciones, rebotando en las paredes e interactuando con cada unaotro, descansar después de que la habitación esté suficientemente saturada de ellos.
"La física subyacente es el caos, esencialmente", dijo. Las moléculas que descansan, al menos en el nivel macroscópico, son el resultado de la termalización, o de alcanzar el equilibrio después de haber alcanzado una saturación uniforme dentro del sistema.Pero en el mundo infinitesimal de la física cuántica, todavía hay poco para describir ese comportamiento. Las matemáticas de la mecánica cuántica, dijo Roushan, no permiten el caos descrito por las leyes de movimiento newtonianas.
Para investigar, los investigadores idearon un experimento utilizando tres bits cuánticos, las unidades computacionales básicas de la computadora cuántica. A diferencia de los bits de computadora clásicos, que utilizan un sistema binario de dos estados posibles por ejemplo, cero / uno, un qubit también puedeuse una superposición de ambos estados cero y uno como un solo estado. Además, múltiples qubits pueden enredarse o vincularse tan estrechamente que sus medidas se correlacionarán automáticamente. Al manipular estos qubits con pulsos electrónicos, Neill los hizo interactuar, rotar yevolucionar en el análogo cuántico de un sistema clásico altamente sensible.
El resultado es un mapa de entropía de enredo de un qubit que, con el tiempo, se parece mucho a la dinámica clásica: las regiones de enredo en el mapa cuántico se parecen a las regiones del caos en el mapa clásico. Las islas de bajolos enredos en el mapa cuántico se encuentran en los lugares de bajo caos en el mapa clásico.
"Hay una conexión muy clara entre el enredo y el caos en estas dos imágenes", dijo Neill. "Y resulta que la termalización es lo que conecta el caos y el enredo. Resulta que en realidad son las fuerzas impulsoras detrás de la termalización.
"De lo que nos damos cuenta es que en casi cualquier sistema cuántico, incluso en computadoras cuánticas, si simplemente dejas que evolucione y comiences a estudiar lo que sucede en función del tiempo, se va a termalizar", agregó Neill, refiriéndose alequilibrio a nivel cuántico. "Y esto realmente une la intuición entre la termalización clásica y el caos y cómo ocurre en los sistemas cuánticos que se enredan".
Los hallazgos del estudio tienen implicaciones fundamentales para la computación cuántica. A nivel de tres qubits, el cálculo es relativamente simple, dijo Roushan, pero a medida que los investigadores presionan para construir computadoras cuánticas cada vez más sofisticadas y potentes que incorporen más qubits para estudiar problemas altamente complejos queestán más allá de la capacidad de la informática clásica, como las de los ámbitos del aprendizaje automático, la inteligencia artificial, la dinámica de fluidos o la química, un procesador cuántico optimizado para tales cálculos será una herramienta muy poderosa.
"Significa que podemos estudiar cosas que son completamente imposibles de estudiar en este momento, una vez que lleguemos a sistemas más grandes", dijo Neill.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Santa Bárbara . Original escrito por Sonia Fernández. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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