Los investigadores de Harvard han desarrollado una computadora cuántica especializada, conocida como un simulador cuántico, que podría usarse para arrojar nueva luz sobre una serie de complejos procesos cuánticos, desde la conexión entre la mecánica cuántica y las propiedades de los materiales hasta la investigación de nuevas fases de la materia y la resoluciónproblemas complejos de optimización del mundo real.
Por lo general, programar una computadora es un proceso bastante arduo, que implica horas de trabajo de codificación, sin mencionar el laborioso trabajo de depuración, prueba y documentación para asegurarse de que funcione correctamente.
Pero para un equipo de físicos del Centro Harvard-MIT para Átomos Ultrafríos y el Instituto de Tecnología de California, las cosas son en realidad mucho más difíciles.
Trabajando en un laboratorio del Departamento de Física de Harvard, un equipo de investigadores dirigido por los profesores de Harvard Mikhail Lukin y Markus Greiner y el profesor del MIT Vladan Vuletic ha desarrollado un tipo especial de computadora cuántica, conocida como simulador cuántico, que se programa capturando super-enfrió átomos de rubidio con láseres y los ordenó en un orden específico, luego permitió que la mecánica cuántica hiciera los cálculos necesarios.
El sistema podría usarse para arrojar nueva luz sobre una gran cantidad de procesos cuánticos complejos, desde la conexión entre la mecánica cuántica y las propiedades de los materiales hasta la investigación de nuevas fases de la materia y la resolución de problemas complejos de optimización del mundo real. El sistema se describe en noviembre30 trabajos publicados en Naturaleza .
La combinación del gran tamaño del sistema y el alto grado de coherencia cuántica lo convierten en un logro particularmente importante, dicen los investigadores. Con más de 50 qubits coherentes, este es uno de los sistemas cuánticos más grandes jamás creados con ensamblaje y medición individuales.
En el mismo número de Naturaleza , un equipo del Joint Quantum Institute de la Universidad de Maryland describe un sistema de iones de carga fría de tamaño similar, también controlado con láser. En conjunto, estos avances complementarios constituyen un paso importante hacia la realización de máquinas cuánticas a gran escala.
"Todo sucede en una pequeña cámara de vacío donde tenemos un vapor de átomos muy diluido que se enfría cerca del cero absoluto", dijo Lukin. "Cuando enfocamos alrededor de cien rayos láser a través de esta nube, cada uno de ellos actúa como untrampa. Los haces están tan enfocados que pueden agarrar un átomo o cero, no pueden agarrar dos. Y ahí es cuando comienza la diversión ".
Usando un microscopio, los investigadores pueden obtener imágenes de los átomos capturados en tiempo real y luego organizarlos en patrones arbitrarios para formar la entrada del sistema.
"Los ensamblamos de una manera muy controlada", dijo Ahmed Omran, un becario postdoctoral que trabaja en el laboratorio de Lukin y coautor del artículo. "Comenzando con un patrón aleatorio, decidimos qué trampa necesita ir a dóndepara organizarlos en grupos deseados "
A medida que los investigadores comienzan a suministrar energía al sistema, los átomos comienzan a interactuar entre sí, y son esas interacciones, dijo Lukin, las que le dan al sistema su naturaleza cuántica.
"Hacemos que los átomos interactúen, y eso es realmente lo que está realizando el cálculo", dijo Omran. "En esencia, cuando excitamos el sistema con luz láser, se autoorganiza. No es que digamos que este átomo tiene que ser ununo o un cero, podríamos hacerlo fácilmente simplemente arrojando luz sobre los átomos, pero lo que hacemos es permitir que los átomos realicen el cálculo por nosotros y luego medimos los resultados ".
Esos resultados, dijeron Lukin y sus colegas, podrían arrojar luz sobre fenómenos mecánicos cuánticos complejos que son casi imposibles de modelar usando computadoras convencionales.
"Si tiene un modelo abstracto en el que cierto número de partículas interactúan entre sí de una manera determinada, la pregunta es ¿por qué no nos sentamos frente a una computadora y la simulamos de esa manera?", Preguntó Ph.Destudiante Alexander Keesling, otro coautor del estudio. "La razón es porque estas interacciones son de naturaleza mecánica cuántica. Si intenta simular estos sistemas en una computadora, está restringido a tamaños de sistema muy pequeños y al númerode parámetros son limitados
"Si hace que los sistemas sean cada vez más grandes, muy rápidamente se quedará sin memoria y sin poder de cómputo para simularlo en una computadora clásica", continuó. "La forma de evitarlo es construir el problema con partículas que siguen ellas mismas reglas que el sistema que está simulando, por eso lo llamamos simulador cuántico "
Aunque es posible usar computadoras clásicas para modelar pequeños sistemas cuánticos, el simulador desarrollado por Lukin y sus colegas usa 51 qubits, lo que hace que sea prácticamente imposible replicarlo usando técnicas informáticas convencionales.
"Es importante que podamos comenzar simulando sistemas pequeños usando nuestra máquina", dijo. "Así que podemos mostrar que esos resultados son correctos ... hasta que lleguemos a los sistemas más grandes, porque no hay una comparación simplepodemos hacer."
"Cuando comenzamos, todos los átomos están en un estado clásico, y cuando leemos al final, obtenemos una cadena de bits clásicos, ceros y unos", agregó Hannes Bernien, un becario postdoctoral en Lukin'slaboratorio, y coautor del estudio. "Pero para llegar desde el principio hasta el final, tienen que pasar por el complejo estado mecánico cuántico. Si tiene una tasa de error sustancial, el estado mecánico cuántico colapsará."
Es ese estado cuántico coherente, dijo Bernien, lo que permite que el sistema funcione como un simulador, y también hace que la máquina sea una herramienta potencialmente valiosa para obtener una nueva visión de los fenómenos cuánticos complejos y, finalmente, realizar cálculos útiles. El sistema ya permite a los investigadoresobtenga una visión única de las transformaciones entre los diferentes tipos de fases cuánticas, llamadas transiciones de fase cuántica. También puede ayudar a arrojar luz sobre formas de materia nuevas y exóticas, dijo Lukin.
"Normalmente, cuando hablas de fases de la materia, hablas de que la materia está en equilibrio", dijo. "Pero algunos estados nuevos muy interesantes de la materia pueden ocurrir muy lejos del equilibrio ... y hay muchas posibilidades para esoen el dominio cuántico. Esta es una frontera completamente nueva "
Ya, dijo Lukin, los investigadores han visto evidencia de tales estados: en uno de los primeros experimentos realizados con el nuevo sistema, el equipo descubrió un nuevo estado coherente de no equilibrio que se mantuvo estable durante un tiempo sorprendentemente largo.
"Las computadoras cuánticas se usarán para realizar y estudiar tales estados de falta de equilibrio de la materia en los próximos años", dijo. "Otra dirección intrigante implica resolver problemas de optimización complejos. Resulta que uno puede codificar algunos problemas muy complicados mediante la programaciónubicaciones de los átomos e interacciones entre ellos. En tales sistemas, algunos algoritmos cuánticos propuestos podrían potencialmente superar a las máquinas clásicas. Todavía no está claro si lo harán o no, porque simplemente no podemos probarlos de manera clásica. Pero estamos a punto de entrar en elrégimen donde podemos probarlos en las máquinas totalmente cuánticas que contienen más de cien qubits controlados. Científicamente, esto es realmente emocionante ".
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Materiales proporcionados por Universidad de Harvard . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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