Una herramienta cuántica abre la puerta a fenómenos desconocidos
El método puede contribuir a comprender mejor los materiales cuánticos
Científicos dirigidos por Peter Zoller han desarrollado una nueva herramienta para medir el entrelazamiento en sistemas de muchos cuerpos y lo han demostrado en experimentos. El método permite estudiar fenómenos físicos hasta ahora inaccesibles y podría contribuir a una mejor comprensión de los materiales cuánticos. El trabajo se ha publicado ahora en Nature.
El entrelazamiento es un fenómeno cuántico en el que las propiedades de dos o más partículas se interconectan de tal manera que ya no se puede asignar un estado definido a cada partícula individual. Más bien hay que considerar todas las partículas a la vez que comparten un determinado estado. El entrelazamiento de las partículas determina en última instancia las propiedades de un material.
"El entrelazamiento de muchas partículas es la característica que marca la diferencia", subraya Christian Kokail, uno de los primeros autores del trabajo que ahora publica Nature. "Al mismo tiempo, sin embargo, es muy difícil de determinar". Los investigadores dirigidos por Peter Zoller en la Universidad de Innsbruck y el Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica (IQOQI) de la Academia Austriaca de Ciencias (ÖAW) proporcionan ahora un nuevo enfoque que puede mejorar significativamente el estudio y la comprensión del entrelazamiento en materiales cuánticos. Para describir grandes sistemas cuánticos y extraer de ellos información sobre el entrelazamiento existente, ingenuamente habría que realizar un número imposiblemente elevado de mediciones. "Hemos desarrollado una descripción más eficiente, que nos permite extraer información sobre el entrelazamiento del sistema con un número drásticamente menor de mediciones", explica el físico teórico Rick van Bijnen.
En un simulador cuántico de trampa de iones con 51 partículas, los científicos han imitado un material real recreándolo partícula a partícula y estudiándolo en un entorno de laboratorio controlado. Muy pocos grupos de investigación en todo el mundo disponen del control necesario de tantas partículas como los físicos experimentales de Innsbruck dirigidos por Christian Roos y Rainer Blatt. "El principal reto técnico al que nos enfrentamos aquí es cómo mantener bajas tasas de error mientras controlamos 51 iones atrapados en nuestra trampa y garantizamos la viabilidad del control y la lectura de qubits individuales", explica el experimentalista Manoj Joshi. En el proceso, los científicos observaron por primera vez en el experimento efectos que antes sólo se habían descrito teóricamente. "Aquí hemos combinado conocimientos y métodos que hemos elaborado minuciosamente juntos durante los últimos años. Es impresionante ver que se pueden hacer estas cosas con los recursos disponibles hoy en día", afirma entusiasmado Christian Kokail, que se ha incorporado recientemente al Instituto de Física Teórica Atómica, Molecular y Óptica de Harvard.
Atajo mediante perfiles de temperatura
En un material cuántico, las partículas pueden estar más o menos fuertemente entrelazadas. Las mediciones de una partícula fuertemente entrelazada sólo arrojan resultados aleatorios. Si los resultados de las mediciones fluctúan mucho -es decir, si son puramente aleatorios-, los científicos lo denominan "caliente". Si la probabilidad de un determinado resultado aumenta, se trata de un objeto cuántico "frío". Sólo la medición de todos los objetos entrelazados revela el estado exacto. En sistemas formados por muchas partículas, el esfuerzo para la medición aumenta enormemente. La teoría cuántica de campos ha predicho que a las subregiones de un sistema de muchas partículas entrelazadas se les puede asignar un perfil de temperatura. Estos perfiles pueden utilizarse para deducir el grado de entrelazamiento de las partículas.
En el simulador cuántico de Innsbruck, estos perfiles de temperatura se determinan mediante un bucle de retroalimentación entre un ordenador y el sistema cuántico, en el que el ordenador genera constantemente nuevos perfiles y los compara con las mediciones reales del experimento. Los perfiles de temperatura obtenidos por los investigadores muestran que las partículas que interactúan fuertemente con el entorno son "calientes" y las que interactúan poco son "frías". "Esto coincide exactamente con las expectativas de que el entrelazamiento es especialmente grande allí donde la interacción entre partículas es fuerte", afirma Christian Kokail.
Abrir puertas a nuevas áreas de la física
"Los métodos que hemos desarrollado proporcionan una potente herramienta para estudiar el entrelazamiento a gran escala en la materia cuántica correlacionada. Esto abre la puerta al estudio de una nueva clase de fenómenos físicos con simuladores cuánticos que ya están disponibles hoy en día", afirma el cerebro cuántico Peter Zoller. "Con los ordenadores clásicos, tales simulaciones ya no pueden calcularse con un esfuerzo razonable". Los métodos desarrollados en Innsbruck servirán también para probar nuevas teorías en este tipo de plataformas.
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