Computación cuántica para vislumbrar qué sucede en el cero absoluto
FÍSICA / COMPUTACIÓN CUÁNTICA.
Recientemente, un equipo internacional de científicos logró, por vez primera, simular experimentalmente la ruptura espontánea de simetría (SSB, por sus siglas en inglés) a la temperatura del cero absoluto utilizando un procesador cuántico superconductor. El logro fue alcanzado con una fidelidad superior al 80% y representa un hito tanto para la computación cuántica como para la física de la materia condensada.
Representación esquemática de los sistemas de espines considerados en el estudio, mostrando la configuración inicial (fase clásica antiferromagnética) y final (fase cuántica ferromagnética entrelazada) del sistema durante la evolución digitalizada en el tiempo. La figura fue montada sobre la imagen del dispositivo cuántico real de bits cuánticos superconductores utilizado en el experimento. Imagen: Alan Santos.
El sistema partió de un estado clásico antiferromagnético (en el que las partículas presentan espines alternados orientados en sentidos opuestos) y evolucionó hacia un estado cuántico ferromagnético (donde todas las partículas tienen espines orientados en el mismo sentido, a medida que también establecen correlaciones cuánticas).
“El sistema comenzó con una configuración flip-flop de espines alternados y, espontáneamente, evolucionó reconfigurándose con espines alineados en la misma dirección y sentido. Esta transición de fase se debe a la ruptura de simetría”, resume el físico Alan Santos, actualmente investigador en el Instituto de Física Fundamental del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), en España, y coorganizador del equipo teórico involucrado en el estudio. En el momento del desarrollo del trabajo, Santos era becario de posdoctorado de la Fundación de Apoyo a la Investigación Científica del Estado de Sao Paulo (FAPESP) de Brasil, estando en el Departamento de Física de la Universidad Federal de Sao Carlos (UFSCar), en Sao Paulo.
En la investigación también trabajaron científicos de la Universidad de Ciencia y Tecnología del Sur, en Shenzhen (China); la Universidad de Aarhus, en Dinamarca; y la UFSCar. El primer firmante del estudio es Chang-Kang Hu, de la Academia Cuántica Internacional en Shenzhen.
“El punto crucial fue la simulación de la dinámica al cero absoluto. Ya existían estudios anteriores sobre este tipo de transición, pero siempre a temperaturas distintas del cero absoluto. Lo que mostramos fue que, al llevar la temperatura al cero absoluto, es posible observar la ruptura de simetría incluso en interacciones locales de partículas, entre primeras vecinas”, explica Santos.
Es importante recordar que el cero absoluto no puede ser alcanzado físicamente, ya que representa la inmovilidad total del sistema material. Lo que los investigadores hicieron fue simular, mediante computación cuántica, lo que ocurriría con el sistema a la temperatura del cero absoluto. El experimento utilizó un circuito cuántico de siete bits cuánticos dispuestos en una configuración que permite interacciones solo entre vecinos inmediatos. Se aplicó un algoritmo para simular la evolución adiabática al cero absoluto. “Nosotros diseñamos el circuito y los experimentadores en China lo implementaron físicamente”, afirma Santos.
La transición de fase fue identificada a través de funciones de correlación y de la entropía de Rényi, que evidenciaron la formación de patrones ordenados y entrelazamiento cuántico. El entrelazamiento cuántico es una de las propiedades más características e importantes de la mecánica cuántica. Se refiere a una situación en la cual dos agrupaciones de partículas quedan correlacionadas de tal forma que el estado de una determina instantáneamente el estado de la otra, incluso si están separadas por grandes distancias. La entropía de Rényi, introducida por el matemático húngaro Alfréd Rényi (1921-1970) en los años 60, se usa para cuantificar el grado de entrelazamiento y cómo se distribuye entre partes de un sistema cuántico. Permite medir cuán entrelazados cuánticamente están los subsistemas.
Santos destaca que el entrelazamiento y la superposición son dos recursos esenciales para la computación cuántica: “La superposición permite que un sistema exista en múltiples estados simultáneamente, lo que se conoce como paralelismo cuántico. El entrelazamiento es un tipo de correlación que no puede ser reproducido en computadoras clásicas. Es como tener un manojo de llaves y necesitar descubrir cuál abre la cerradura. Una computadora clásica prueba las llaves una por una. Una computadora cuántica puede probar varias al mismo tiempo, acelerando así el procesamiento”, compara Santos.
En términos prácticos, la diferencia entre una computadora clásica y una cuántica radica principalmente en el desempeño. En teoría, ambas pueden resolver los mismos problemas formulables matemáticamente. La diferencia es cuánto tiempo toman para resolverlos. Algunos cálculos, como la factorización de números gigantescos en dos primos, que tomarían millones de años en computadoras clásicas, pueden ejecutarse mucho más rápido en computadoras cuánticas.
Usar una computadora clásica para simular sistemas cuánticos sería una contradicción. Y, a veces, una misión imposible. Este estudio demostró la viabilidad de usar recursos de computación cuántica para tales simulaciones.
La implementación se realizó con bits cuánticos superconductores, basados en aleaciones de aluminio y niobio, operando a temperaturas del orden de milikelvins (milésimas de grado centígrado por encima del cero absoluto).
El concepto de ruptura de simetría está presente en todas las áreas de la física. Toda la física se estructura en torno a las simetrías y su ruptura. “La simetría nos da las leyes de conservación. La ruptura de simetría permite que surjan estructuras complejas”, resume Santos.
El estudio se titula “Digital simulation of zero-temperature spontaneous symmetry breaking in a superconducting lattice processor”. Y se ha publicado en la revista académica Nature Communications. (Fuente: FAPESP)
Sitio Fuente: NCYT de Amazings