Dos equipos independientes de científicos, incluyendo uno de la Universidad de Maryland (UMD) y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), han utilizado más de 50 qubits atómicos que interactúan para imitar la materia cuántica magnética, superando la complejidad de demostraciones anteriores. Los resultados aparecen en la edición de esta semana de Naturaleza .

Como base para su simulación cuántica, El equipo de UMD-NIST despliega hasta 53 iones de iterbio individuales, átomos cargados atrapados en su lugar por electrodos afilados y recubiertos de oro. Un diseño complementario de investigadores de Harvard y MIT utiliza 51 átomos de rubidio sin carga confinados por una serie de rayos láser. Con tantos qubits, estos simuladores cuánticos están a punto de explorar la física que es inalcanzable incluso para las supercomputadoras modernas más rápidas. Y agregar aún más qubits es solo una cuestión de enlazar más átomos en la mezcla.

"Cada qubit de iones es un reloj atómico estable que se puede replicar perfectamente, "dice el líder del equipo de UMD, Christopher Monroe, quien también es cofundador y científico jefe de la startup IonQ Inc. "Están conectados de manera efectiva con rayos láser externos. Esto significa que el mismo dispositivo se puede reprogramar y reconfigurar, desde fuera, para adaptarse a cualquier tipo de simulación cuántica o futura aplicación de computadora cuántica que surja ". Monroe ha sido uno de los pioneros en computación cuántica y el simulador cuántico de su grupo de investigación es parte de un modelo para una computadora cuántica de propósito general.

Hardware cuántico para un problema cuántico

Aunque moderno, Las computadoras impulsadas por transistores son excelentes para resolver muchos problemas, pueden detenerse cuando se trata de más de 20 objetos cuánticos que interactúan. Ese es ciertamente el caso del magnetismo cuántico, en el que las interacciones pueden conducir a una alineación magnética o una mezcla de intereses en competencia a escala cuántica.

"Lo que dificulta este problema es que cada imán interactúa con todos los demás imanes, "dice el científico investigador de la UMD, Zhexuan Gong, teórico principal y coautor del estudio. "Con los 53 imanes cuánticos que interactúan en este experimento, hay más de un billón de posibles configuraciones de imanes, y este número se duplica con cada imán adicional. Simular este problema a gran escala en una computadora convencional es extremadamente desafiante, si es posible."

Cuando estos cálculos chocan contra una pared, un simulador cuántico puede ayudar a los científicos a superar los límites de problemas difíciles. Este es un tipo restringido de computadora cuántica que usa qubits para imitar la materia cuántica compleja. Los qubits son sistemas cuánticos aislados y bien controlados que pueden estar en una combinación de dos o más estados a la vez. Los Qubits vienen en diferentes formas, y los átomos, los bloques de construcción versátiles de todo, son una de las opciones principales para hacer qubits. En años recientes, los científicos han controlado de 10 a 20 qubits atómicos en simulaciones cuánticas a pequeña escala.

En la actualidad, gigantes de la industria tecnológica, Las nuevas empresas y los investigadores universitarios están en una carrera feroz para construir prototipos de computadoras cuánticas que puedan controlar aún más qubits. Pero los qubits son delicados y deben permanecer aislados del medio ambiente para proteger la naturaleza cuántica del dispositivo. Con cada qubit agregado, esta protección se vuelve más difícil, especialmente si los qubits no son idénticos desde el principio, como es el caso de los circuitos fabricados. Esta es una de las razones por las que los átomos son una opción atractiva que puede simplificar drásticamente el proceso de escalar a maquinaria cuántica a gran escala.

Una ventaja atómica

A diferencia de los circuitos integrados de las computadoras modernas, Los qubits atómicos residen dentro de una cámara de vacío a temperatura ambiente que mantiene una presión similar a la del espacio exterior. Este aislamiento es necesario para mantener a raya el entorno destructivo, y permite a los científicos controlar con precisión los qubits atómicos con una red de láseres de alta ingeniería, lentes, espejos fibras ópticas y circuitos eléctricos.

"Los principios de la computación cuántica difieren radicalmente de los de la computación convencional, por lo que no hay motivos para esperar que estas dos tecnologías se parezcan en algo, "dice Monroe.

En el simulador de 53 qubit, los qubits de iones están formados por átomos que tienen la misma carga eléctrica y, por lo tanto, se repelen entre sí. Pero mientras se alejan unos a otros, un campo eléctrico generado por una trampa los obliga a volver a unirse. Los dos efectos se equilibran, y los iones se alinean en una sola fila. Los físicos aprovechan la repulsión inherente para crear interacciones deliberadas ión a ión, que son necesarios para simular la interacción de la materia cuántica.

La simulación cuántica comienza con un pulso láser que ordena a todos los qubits en el mismo estado. Luego, un segundo conjunto de rayos láser interactúa con los qubits de iones, obligándolos a actuar como pequeños imanes, cada uno tiene un polo norte y sur. El equipo da este segundo paso de repente, lo que lleva a los qubits a la acción. Se sienten divididos entre dos opciones o fases, de materia cuántica. Como imanes pueden alinear sus polos con sus vecinos para formar un ferromaimán o apuntar en direcciones aleatorias sin magnetización. Los físicos pueden cambiar la fuerza relativa de los rayos láser y observar qué fase gana en diferentes condiciones de láser.

La simulación completa toma solo unos pocos milisegundos. Repitiendo el proceso muchas veces y midiendo los estados resultantes en diferentes puntos durante la simulación, el equipo puede ver el proceso a medida que se desarrolla de principio a fin. Los investigadores observan cómo se organizan los imanes qubit a medida que se forman las diferentes fases, dinámicas que, según los autores, son casi imposibles de calcular utilizando medios convencionales cuando hay tantas interacciones.

Este simulador cuántico es adecuado para sondear materia magnética y problemas relacionados. Pero otros tipos de cálculos pueden necesitar una computadora cuántica más general con interacciones programables arbitrariamente para obtener un impulso.

"Se cree que las simulaciones cuánticas son una de las primeras aplicaciones útiles de las computadoras cuánticas, "dice Alexey Gorshkov, Físico teórico del NIST y coautor del estudio. "Después de perfeccionar estos simuladores cuánticos, luego podemos implementar circuitos cuánticos y eventualmente conectar cuánticamente muchas de estas cadenas de iones para construir una computadora cuántica a gran escala con un dominio de aplicaciones mucho más amplio ".

A medida que buscan agregar aún más qubits, el equipo cree que su simulador se embarcará en un terreno más desafiante computacionalmente, más allá del magnetismo. "Seguimos perfeccionando nuestro sistema, y pensamos que pronto, podremos controlar 100 qubits de iones, o más, "dice Jiehang Zhang, autor principal del estudio e investigador postdoctoral de la UMD. "En ese punto, potencialmente podemos explorar problemas difíciles en química cuántica o diseño de materiales ".