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| Dolev Bluvstein (de izquierda a derecha), Mikhail Lukin y Sepehr Ebadi son algunos de los investigadores que han desarrollado un tipo especial de ordenador cuántico conocido como simulador cuántico programable. Fotos de Rose Lincoln/Harvard Staff Photographer |
Fases cuánticas de la materia en un simulador cuántico programable de 256 átomos
Un equipo de físicos del Centro de Átomos Ultrafríos de Harvard-MIT y otras universidades ha desarrollado un tipo especial de ordenador cuántico conocido como simulador cuántico programable capaz de funcionar con 256 bits cuánticos, o "qubits".
El sistema supone un gran paso hacia la construcción de máquinas cuánticas a gran escala que podrían utilizarse para arrojar luz sobre una gran cantidad de procesos cuánticos complejos y, con el tiempo, ayudar a conseguir avances en el mundo real en la ciencia de los materiales, las tecnologías de la comunicación, las finanzas y muchos otros campos, superando obstáculos de investigación que están más allá de las capacidades incluso de los superordenadores más rápidos de la actualidad. Los qubits son los elementos fundamentales sobre los que funcionan los ordenadores cuánticos y la fuente de su enorme capacidad de procesamiento.
"Esto traslada el campo a un nuevo dominio en el que nadie ha estado hasta ahora", dijo Mikhail Lukin, el profesor de física George Vasmer Leverett, codirector de la Iniciativa Cuántica de Harvard y uno de los autores principales del estudio publicado hoy en la revista Nature. "Estamos entrando en una parte completamente nueva del mundo cuántico".
Según Sepehr Ebadi, estudiante de física de la Facultad de Artes y Ciencias y autor principal del estudio, es la combinación del tamaño y la programabilidad sin precedentes del sistema lo que lo sitúa en la vanguardia de la carrera por un ordenador cuántico, que aprovecha las misteriosas propiedades de la materia a escalas extremadamente pequeñas para avanzar enormemente en la capacidad de procesamiento. En las circunstancias adecuadas, el aumento de qubits significa que el sistema puede almacenar y procesar exponencialmente más información que los bits clásicos con los que funcionan los ordenadores estándar.
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| Dolev Bluvstein observa el láser de 420 mm que les permite controlar y entrelazar átomos de Rydberg. Crédito: Universidad de Harvard |
"El número de estados cuánticos que son posibles con sólo 256 qubits supera el número de átomos del sistema solar", dijo Ebadi, explicando el enorme tamaño del sistema.
El simulador ya ha permitido a los investigadores observar varios estados cuánticos exóticos de la materia que nunca antes se habían realizado experimentalmente, y realizar un estudio de transición de fase cuántica tan preciso que sirve como ejemplo de libro de texto de cómo funciona el magnetismo a nivel cuántico.
Estos experimentos aportan una poderosa visión de la física cuántica que subyace a las propiedades de los materiales y pueden ayudar a los científicos a diseñar nuevos materiales con propiedades exóticas.
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| Al organizarlos en fotogramas secuenciales y tomar imágenes de átomos individuales, los investigadores pueden incluso hacer divertidos vídeos de átomos. Crédito: Cortesía del grupo Lukin |
El proyecto utiliza una versión significativamente mejorada de una plataforma que los investigadores desarrollaron en 2017, que era capaz de alcanzar un tamaño de 51 qubits. Ese sistema más antiguo permitía a los investigadores capturar átomos de rubidio ultrafríos y organizarlos en un orden específico empleando una matriz unidimensional de rayos láser enfocados individualmente llamados pinzas ópticas.
Este nuevo sistema permite ensamblar los átomos en conjuntos bidimensionales de pinzas ópticas. Esto aumenta el tamaño del sistema de 51 a 256 qubits. Con las pinzas, los investigadores pueden organizar los átomos en patrones sin defectos y crear formas programables como retículas cuadradas, de panal o triangulares para diseñar diferentes interacciones entre los qubits.
"El caballo de batalla de esta nueva plataforma es un dispositivo llamado modulador de luz espacial, que se utiliza para dar forma a un frente de onda óptico y producir cientos de haces de pinzas ópticas enfocados individualmente", explica Ebadi. "Estos dispositivos son esencialmente los mismos que se utilizan dentro de un proyector de ordenador para mostrar imágenes en una pantalla, pero los hemos adaptado para que sean un componente fundamental de nuestro simulador cuántico".
La carga inicial de los átomos en las pinzas ópticas es aleatoria, y los investigadores deben mover los átomos para organizarlos en sus geometrías objetivo. Los investigadores utilizan un segundo conjunto de pinzas ópticas móviles para arrastrar los átomos a los lugares deseados, eliminando la aleatoriedad inicial. Los láseres proporcionan a los investigadores un control total sobre la posición de los qubits atómicos y su manipulación cuántica coherente.
Otros autores principales del estudio son los profesores de Harvard Subir Sachdev y Markus Greiner, que trabajaron en el proyecto junto con el profesor del Instituto Tecnológico de Massachusetts Vladan Vuletić, y científicos de Stanford, la Universidad de California Berkeley, la Universidad de Innsbruck (Austria), la Academia Austriaca de Ciencias y QuEra Computing Inc. de Boston.
"Nuestro trabajo forma parte de una carrera mundial realmente intensa y de gran visibilidad para construir ordenadores cuánticos más grandes y mejores", dijo Tout Wang, investigador asociado de física en Harvard y uno de los autores del artículo. "El esfuerzo global [más allá del nuestro] cuenta con la participación de instituciones de investigación académicas de primer orden y con importantes inversiones del sector privado, como Google, IBM, Amazon y muchas otras".
Los investigadores trabajan actualmente en la mejora del sistema mediante el perfeccionamiento del control del láser sobre los qubits y en hacer el sistema más programable. También están explorando activamente cómo puede utilizarse el sistema para nuevas aplicaciones, que van desde el sondeo de formas exóticas de la materia cuántica hasta la resolución de desafiantes problemas del mundo real que pueden codificarse de forma natural en los qubits.
"Este trabajo permite un gran número de nuevas direcciones científicas", dijo Ebadi. "No estamos ni cerca de los límites de lo que se puede hacer con estos sistemas".
Fuentes, créditos y referencias:
Más información: Sepehr Ebadi et al, Quantum phases of matter on a 256-atom programmable quantum simulator, Nature (2021). DOI: 10.1038/s41586-021-03582-4