Los físicos están desarrollando simuladores cuánticos, para ayudar a resolver problemas que están fuera del alcance de las computadoras convencionales. Sin embargo, primero necesitan nuevas herramientas para asegurarse de que los simuladores funcionen correctamente. Investigadores de Innsbruck en torno a Rainer Blatt y Christian Roos, junto con investigadores de las universidades de Ulm y Strathclyde, ahora han implementado una nueva técnica en el laboratorio que se puede utilizar para caracterizar de manera eficiente los estados complejos de los simuladores cuánticos. La técnica, llamada tomografía de estado de producto matricial, podría convertirse en una nueva herramienta estándar para caracterizar simuladores cuánticos.

Muchos fenómenos del mundo cuántico no se pueden investigar directamente en el laboratorio, e incluso las supercomputadoras fallan al intentar simularlas. Sin embargo, Los científicos ahora pueden controlar varios sistemas cuánticos en el laboratorio con mucha precisión y estos sistemas pueden usarse para simular otros sistemas cuánticos. Por lo tanto, estos simuladores cuánticos se consideran una de las primeras aplicaciones concretas de la segunda revolución cuántica.

Sin embargo, la caracterización de grandes estados cuánticos, que es necesario para guiar el desarrollo de simuladores cuánticos a gran escala, demuestra ser difícil. El estándar de oro actual para la caracterización del estado cuántico en el laboratorio, la tomografía del estado cuántico, solo es adecuado para pequeños sistemas cuánticos compuestos por un puñado de partículas cuánticas. Investigadores del Instituto de Física Experimental de la Universidad de Innsbruck y del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica de la Academia de Ciencias de Austria han establecido un nuevo método en el laboratorio que puede utilizarse para caracterizar de manera eficiente grandes estados cuánticos.

Un esfuerzo colaborativo

En trampas de iones, los átomos cargados (iones) se enfrían a temperaturas cercanas al cero absoluto y se manipulan con la ayuda de láseres. Estos sistemas representan un enfoque prometedor para realizar simulaciones cuánticas que pueden ir más allá de las capacidades de las supercomputadoras modernas. Los físicos cuánticos de Innsbruck se encuentran entre los líderes mundiales en este campo y actualmente pueden enredar 20 o más iones en sus trampas. Para caracterizar completamente estos grandes sistemas cuánticos, necesitan nuevos métodos. Para esto, teóricos alrededor de Martin Plenio de la Universidad de Ulm, Alemania, acudió en su ayuda. En 2010, el equipo de Plenio propuso un nuevo método para la caracterización de estados cuánticos complejos llamado tomografía de estado de producto de matriz. Usando este método, el estado de un grupo de partículas cuánticas entrelazadas se puede estimar con precisión sin que el esfuerzo aumente drásticamente a medida que aumenta el número de partículas en el grupo. En colaboración con los equipos de Martin Plenio de Ulm y Andrew Daley de la Universidad de Strathclyde en Escocia, los físicos experimentales de Innsbruck alrededor de Christian Roos, Ben Lanyon y Christine Maier ahora han implementado este procedimiento en el laboratorio.

Medidas más eficientes

Como caso de prueba, los físicos construyeron un simulador cuántico con hasta 14 bits cuánticos (átomos), que se preparó por primera vez en un estado inicial simple sin correlaciones cuánticas. Próximo, los investigadores entrelazaron los átomos con luz láser y observaron la propagación dinámica del entrelazamiento en el sistema. "Con el nuevo método, podemos determinar el estado cuántico de todo el sistema midiendo solo una pequeña fracción de las propiedades del sistema, "dice el ganador del premio START Ben Lanyon. Los teóricos alrededor de Martin Plenio tomaron la caracterización del estado cuántico global a partir de los datos medidos:" El método se basa en el hecho de que teóricamente podemos describir bien el entrelazamiento distribuido localmente y ahora también podemos medirlo en el laboratorio."

Cuando el grupo de trabajo de Rainer Blatt realizó el primer byte cuántico en 2005, más de 6, Se requirieron 000 mediciones para la caracterización del estado cuántico, tomado durante un período de diez horas. El nuevo método requiere solo 27 mediciones para caracterizar el mismo sistema de tamaño, tomado alrededor de 10 minutos. "Pudimos demostrar que este método se puede utilizar para identificar estados cuánticos grandes y complejos de manera eficiente, "dice Christine Maier, un miembro del equipo de Innsbruck. Ahora los científicos quieren seguir desarrollando los algoritmos para que también puedan ser utilizados de forma flexible por otros grupos de investigación.

Nuevo patrón oro

El nuevo método permite la caracterización completa de sistemas que contienen un gran número de partículas cuánticas correlacionadas y, por lo tanto, proporciona una opción de comparación para simulaciones cuánticas. "Podemos utilizar la nueva técnica para calibrar simuladores cuánticos, comparando los estados que encontramos en el laboratorio con los esperados de los cálculos analíticos, ", explica Christian Roos." Entonces sabemos si el simulador hace lo que queremos ". El nuevo método ofrece a los médicos una herramienta para muchas aplicaciones y podría convertirse en un nuevo estándar para las simulaciones cuánticas.