Los simuladores cuánticos, que son computadoras cuánticas de propósito especial, ayudarán a los investigadores a identificar materiales con propiedades nuevas y útiles. Este atractivo futuro acaba de dar un paso adelante gracias a la colaboración entre Google e investigadores en universidades de California, Singapur y Grecia.
El equipo internacional usó fotones en el chip cuántico de Google para simular el sorprendente y hermoso patrón de la 'mariposa Hofstadter', una estructura fractal que caracteriza el comportamiento de los electrones en campos magnéticos fuertes. Los resultados, publicados el 1 de diciembre en ciencia , muestra cómo los simuladores cuánticos están comenzando a cumplir su promesa como herramientas poderosas.
"Siempre hemos tenido la idea de que podemos usar fotones para simular y comprender mejor la naturaleza. Nuestra colaboración pone esto en práctica", dice Dimitris Angelakis en el Centro de Tecnologías Cuánticas, Universidad Nacional de Singapur.
La hazaña fue realizada en la cadena de Google de nueve bits cuánticos superconductores qubits por colaboradores de Google y la Universidad de California Santa Bárbara en los Estados Unidos, la Universidad Nacional de Singapur y la Universidad Técnica de Creta, Grecia. Muestra cómoEl simulador cuántico puede reproducir todo tipo de comportamientos cuánticos complejos y exóticos. Esto permitirá a los investigadores simular, y así diseñar, materiales con propiedades de conducción electrónica exóticas, lo que podría abrir una gama de nuevas aplicaciones.
"Con chips similares a los utilizados en este experimento, estamos interesados en estudiar los problemas en el núcleo de la materia condensada, la mecánica estadística y la dinámica de no equilibrio", dice Pedram Roushan, ingeniero en electrónica cuántica de Google.
La mariposa de Hofstadter apareció por primera vez en 1976, en cálculos de electrones en un material bidimensional en un campo magnético fuerte. La mariposa mapea las divisiones y los cambios de los niveles de energía del electrón con cambios en la intensidad del campo. En esta simulación cuántica, ellos fotones tomaron el papel de los electrones, mientras que las puertas en los qubits proporcionaron un análogo del campo magnético. El patrón de mariposa surgió de las mediciones del equipo.
El experimento se basó en la invención del equipo de una nueva técnica de espectroscopía que denominan "golpear y escuchar". La técnica mapea los niveles de energía de las partículas de luz, fotones de microondas, almacenados en los nueve qubits.
"Nuestro método es como tocar una campana. El sonido que produce es una superposición de todos los armónicos básicos. Al tocarlo varias veces en diferentes posiciones y escuchar la melodía lo suficiente, uno puede resolver los armónicos ocultos. Hacemoslo mismo con el chip cuántico, golpeándolo con fotones y luego siguiendo su evolución en el tiempo ", explica Angelakis. El equipo vio a la mariposa golpeando los qubits con un fotón a la vez.
El equipo también golpeó los qubits con dos fotones simultáneamente, e hizo que los qubits fueran desordenados, programando cierta aleatoriedad en sus propiedades, para estudiar el complejo fenómeno conocido como 'localización de muchos cuerpos'. Esta es una transición de fase cuántica., similar al cambio de fase que ocurre cuando el agua se congela en hielo, que determina si los materiales son conductores o aislantes. El equipo encontró precursores de la localización de muchos cuerpos aplicando su técnica de 'golpear y escuchar' a diferentes regímenes de desorden e interacción.
Conocer este tipo de fenómeno puede proporcionar otra ruta para diseñar nuevos materiales útiles con propiedades de conducción exóticas. Sin embargo, los físicos en general luchan por simular escenarios tan complejos. Se predijo en la década de 1950 que el desorden en un material podría bloquear elmovimiento de electrones a través de él. Eso se llama localización. Pero si las partículas pueden interactuar entre sí, el problema se convierte en 'muchos cuerpos', y mucho más difícil de modelar.
Para solo dos fotones en nueve qubits, el equipo podría simular en computadoras convencionales qué comportamiento esperar, encontrando un buen acuerdo con sus resultados experimentales. Pero agregue solo unos pocos qubits más y el problema se volverá insoluble para las máquinas clásicas.
Eso hace que la perspectiva de simuladores cuánticos más grandes sea atractiva para los científicos: podrían abordar problemas más allá del alcance de las supercomputadoras de hoy.
"Comprender las fases cuánticas sigue siendo uno de los misterios no resueltos de la física", dice Roushan.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Centro de Tecnologías Cuánticas en la Universidad Nacional de Singapur . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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