El procesador cuántico proporciona valiosa información sobre estados exóticos de la materia. En colaboración con el equipo de Google Quantum AI, los científicos de la Universidad Técnica de Munich y la Universidad de Nottingham utilizaron un procesador cuántico altamente controlable para simular tales estados de la materia cuántica

Lima, Perú, 4 de diciembre del 2021.— Si bien el número de qubits y la estabilidad de los estados cuánticos siguen limitando los dispositivos de computación cuántica actuales, hay preguntas en las que estos procesadores ya pueden resolver dado su enorme poder de computación. En colaboración con el equipo de Google Quantum AI, los científicos de la Universidad Técnica de Munich (TUM) y la Universidad de Nottingham utilizaron un procesador cuántico para simular el estado fundamental de un llamado Hamiltoniano de código tórico (so-called toric code Hamiltonian), un sistema de modelo arquetípico en la física moderna de la materia condensada, que se propuso originalmente en el contexto de la corrección de errores cuánticos.

¿Cómo sería si viviéramos en un mundo plano bidimensional?

Los físicos predicen que la mecánica cuántica sería aún más extraña en ese caso, lo que resultaría en partículas exóticas, las llamadas «anónimas», que no pueden existir en el mundo tridimensional en el que vivimos. Este mundo desconocido no es solo una curiosidad, sino que puede ser clave para desbloquear los materiales cuánticos y las tecnologías del futuro.

En colaboración con el equipo de Google Quantum AI, los científicos de la Universidad Técnica de Munich y la Universidad de Nottingham utilizaron un procesador cuántico altamente controlable para simular tales estados de la materia cuántica. Sus resultados aparecen en la edición actual de la reconocida revista científica «Science».

Partículas cuánticas emergentes en sistemas bidimensionales

Todas las partículas de nuestro universo vienen en dos sabores: bosones o fermiones. En el mundo tridimensional en el que vivimos, esta observación se mantiene firme. Sin embargo, hace casi 50 años se predijo teóricamente que podrían existir otros tipos de partículas, denominadas anyons, cuando la materia se limita a dos dimensiones.

Si bien estos anyones no aparecen como partículas elementales en nuestro universo, resulta que las partículas anyónicas pueden emerger como excitaciones colectivas en las llamadas fases topológicas de la materia, descubrimiento que se hizo acreedor a un premio Nobel en el 2016.

Torcer pares de estos anyones moviéndolos uno alrededor del otro en la simulación revela sus propiedades exóticas; los físicos lo llaman estadísticas de trenzado”, dice el Dr. Adam Smith de la Universidad de Nottingham.

Una imagen simple de estas excitaciones colectivas es «la ola» en la multitud de un estadio: tiene una posición bien definida, pero no puede existir sin las miles de personas que componen la multitud. Sin embargo, la realización y simulación experimental de tales estados ordenados topológicamente ha demostrado ser un gran desafío.

Procesadores cuánticos como plataforma para simulaciones cuánticas controladas

En experimentos emblemáticos, los equipos de TUM, Google Quantum AI y la Universidad de Nottingham programaron el procesador cuántico de Google para simular estos estados bidimensionales de la materia cuántica. «El procesador cuántico de Google llamado ‘Sycamore’ se puede controlar con precisión y es un sistema cuántico bien aislado, que son requisitos clave para realizar cálculos cuánticos«, dice Kevin Satzinger, científico del equipo de Google.

Los investigadores idearon un algoritmo cuántico para realizar un estado con orden topológico, que se confirmó simulando la creación de estimulaciones de la clase anyon y girándolas entre sí. Las huellas dactilares del entrelazamiento cuántico de largo alcance podrían confirmarse en su estudio. Como una posible aplicación, estos estados cuánticos ordenados topológicamente, se pueden utilizar para mejorar las computadoras cuánticas mediante la realización de nuevas formas de corrección de errores. Los primeros pasos hacia este objetivo ya se han logrado en este primer trabajo.

Los procesadores cuánticos a corto plazo representarán una plataforma ideal para explorar la física de la materia exótica de las fases cuánticas”, dice el profesor Frank Pollmann de TUM. «En un futuro cercano, los procesadores cuánticos prometen resolver problemas que están más allá del alcance de las supercomputadoras clásicas actuales».

Fuente

Publicación:

Realización de estados ordenados topológicamente en un procesador cuántico
K.J. Satzinger, Y.-J. Liu, et. Alabama.
Science, 3 de diciembre de 2021 _ DOI: 10.1126 / science.abi8378
Enlace:

Más información:

La investigación fue financiada por el Consejo Europeo de Investigación (ERC) en el marco del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea, la Fundación Alemana de Investigación (DFG) en el marco del Cluster of Excellence Munich Center for Quantum Science and Technology (MCQST), financiado bajo la Estrategia de Excelencia de Alemania, así como el Centro de Investigación Colaborativa Transregional TRR 80, la Sociedad Max Planck (MPG) a través de la Escuela de Investigación Internacional Max Planck de Ciencia y Tecnología Cuántica (IMPRS-QST), y el Instituto de Estudios Avanzados en Tecnología de la Universidad de Munich.

El financiamiento adicional provino de la Comisión Real para la Exposición de 1851, el Instituto Walter Burke de Física Teórica en Caltech y del IQIM, un centro NSF Frontier financiado por la Fundación Gordon y Betty Moore, la Fundación Packard y la Fundación Simons. Los autores de TUM, el Prof. Frank Pollmann y el Prof. Michael Knap, son miembros de la iniciativa Munich Quantum Valley y del Cluster of Excellence «Munich Center for Quantum Science and Technology».

Contacto:

Prof. Dr. Frank Pollmann
Cátedra de Física Teórica del Estado Sólido
Technische Universität München
James-Franck-Str. 1, 85748 Garching, Alemania
Tel .: +49 89289 53760 – correo electrónico: frank.pollmann@tum.de
Web:

Dr. Pedram Roushan
Google Quantum AI,
Mountain View, CA, EE. UU.
Tel .: +1 609 649 2317 – correo electrónico: pedramr@google.com

Dr. Adam Smith
Facultad de Ciencias
Facultad de Física y Astronomía
Parque universitario
Nottingham, NG7 2RD, Reino Unido
correo electrónico: adam.smith1@nottingham.ac.uk

Acerca de la Universidad Técnica de Munich

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Los ganadores del Premio Nobel e inventores como Rudolf Diesel, Carl von Linde y Rudolf Mößbauer han realizado investigaciones en TUM.

En los años 2006, 2012 y 2019 ganó el reconocimiento como una «Universidad de excelencia» alemana. En los rankings internacionales, TUM se ubica regularmente entre las mejores universidades de Alemania.