Un camino más rápido hacia el frío más profundo
El nuevo procedimiento de enfriamiento facilita la realización de simuladores cuánticos
La tecnología cuántica tiene el potencial de permitir aplicaciones tecnológicas revolucionarias. Sin embargo, las computadoras convencionales carecen del poder de calcular las propiedades de los sistemas cuánticos complejos. Fenómenos como la superposición o el enredo cuántico provocan un aumento exponencial de las operaciones que tardarían varios años en realizar las supercomputadoras modernas. La simulación cuántica puede resolver este problema. Dado que los simuladores cuánticos son también sistemas cuánticos, son capaces de utilizar la misma complejidad exponencial para las operaciones, determinando así las propiedades de otros sistemas cuánticos de manera eficiente.
Ilustración de un simulador cuántico de trampa de iones que incluye la partícula auxiliar (rojo)
(c) Piet Schmidt/PTB
No obstante, la generación y el control de los estados cuánticos pertinentes para las simulaciones sigue siendo difícil. Un equipo de físicos dirigido por Hendrik Weimer del Instituto de Física Teórica de la Universidad Leibniz de Hannover ha desarrollado un nuevo enfoque para realizar estados cuánticos adecuados de manera más eficiente. En el número actual de la revista científica "Science Advances", los investigadores introducen un sistema de refrigeración general para sistemas cuánticos fuertemente correlacionados.
Típicamente, se pueden encontrar interesantes estados cuánticos en sistemas fuertemente correlacionados a temperaturas extremadamente bajas cercanas al cero absoluto. El proceso de enfriamiento - especialmente en los sistemas cuánticos multipartículas - lleva mucho tiempo, es difícil de controlar y requiere recursos importantes. En su nuevo enfoque, Weimer y su equipo conectaron el simulador cuántico a una partícula auxiliar para poder intercambiar energía entre ellos. Controlar y extraer energía de una sola partícula auxiliar - por lo tanto, enfriarla - es significativamente más fácil. La pérdida de energía se compensa a través del simulador cuántico conectado, haciendo que se enfríe aún más. A través del enfriamiento disipativo, los investigadores pudieron reducir las temperaturas del simulador cuántico a tan sólo unos pocos nanokelvin.
"La principal ventaja de nuestro enfoque es que en lugar de un sistema entero, sólo tenemos que enfriar una sola partícula", explica Hendrik Weimer. Junto con su equipo, fue posible demostrar que esto es eficiente y factible utilizando esfuerzos técnicos relativamente modestos. Esto permite a los investigadores preparar y controlar los simuladores cuánticos con mayor facilidad, especialmente para los sistemas fuertemente correlacionados. Por ejemplo, materiales fascinantes como los superconductores de alta temperatura podrían ser calculados más fácilmente mediante simuladores cuánticos.
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