Huracanes atascos de tráfico, desarrollo demográfico - para predecir el efecto de tales eventos, Se requieren simulaciones por computadora. Muchos procesos en la naturaleza, sin embargo, son tan complicados que fallan las computadoras convencionales. Los simuladores cuánticos pueden resolver este problema. Uno de los fenómenos básicos de la naturaleza es la interacción entre la luz y la materia en la fotosíntesis. Los físicos del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) han dado un gran paso hacia la comprensión de la mecánica cuántica del metabolismo de las plantas. Esto se informa en el Comunicaciones de la naturaleza diario.

"Un simulador cuántico es la etapa preliminar de una computadora cuántica. A diferencia de una computadora cuántica, sin embargo, no puede hacer ningún cálculo, pero está diseñado para la solución de un determinado problema, ", dice Jochen Braumüller del Physikalisches Institut (Instituto de Física) de KIT. Dado que la alta eficiencia de la fotosíntesis no se puede comprender completamente con las teorías físicas clásicas, investigadores como Braumüller utilizan un modelo cuántico. Junto con científicos del Institut für Theoretische Festkörperphysik (TFP, Instituto de Física Teórica del Estado Sólido), demostró por primera vez en un experimento que las simulaciones cuánticas de la interacción entre la luz y la materia funcionan en principio.

La interacción entre la luz y la materia en la fotosíntesis se puede describir como una interacción de fotones de luz con átomos de materia a nivel microscópico. La alta eficiencia de este mecanismo de casi el 100 por ciento sugiere que está sujeto a las reglas de la física cuántica, que es difícil de simular con computadoras clásicas y bits simples. En informática estándar, la información está representada por un interruptor que puede almacenar información como cero o uno. Bits cuánticos, por el contrario, son capaces de asumir los estados de cero y uno al mismo tiempo de acuerdo con las reglas de la física cuántica. Por eso, Las computadoras cuánticas o los simuladores cuánticos más simples pueden resolver el problema de manera más rápida y eficiente.

Braumüller y sus coautores han desarrollado ahora uno de los primeros componentes funcionales para un simulador cuántico de interacción luz-materia:los circuitos superconductores como bits cuánticos representan los átomos, mientras que los resonadores electromagnéticos representan los fotones. Los físicos lograron producir un efecto con el bit cuántico y el resonador asumiendo dos estados opuestos al mismo tiempo. "Qubit y resonador están acoplados, ", dice Michael Marthaler de KIT's TFP." Esta es también la razón de la capacidad de cálculo exponencialmente mejorada en comparación con las computadoras clásicas ". El cumplimiento de este principio fundamental de la mecánica cuántica ha demostrado la viabilidad de la simulación cuántica analógica con circuitos superconductores, dicen los investigadores.

Como siguiente paso, planean extender su sistema a través de muchos otros componentes básicos. "La simulación clásica de este sistema extendido tomaría más tiempo que la edad del universo, "dice Martin Weides, quien ha estado dirigiendo un grupo de trabajo en el Physikalisches Institut de KIT desde 2015. Si la simulación de mecánica cuántica planeada es exitosa, este será un "hito en el camino hacia una computadora cuántica universal".