Simuladores cuánticos, que son computadoras cuánticas de propósito especial, ayudará a los investigadores a identificar materiales con propiedades nuevas y útiles. Este atractivo futuro acaba de dar un paso adelante gracias a la colaboración entre Google e investigadores de universidades de California. Singapur y Grecia.

El equipo internacional utilizó fotones en el chip cuántico de Google para simular el sorprendente y hermoso patrón de la 'mariposa Hofstadter'. una estructura fractal que caracteriza el comportamiento de los electrones en campos magnéticos fuertes. Los resultados, publicado el 1 de diciembre en Ciencias , muestran cómo los simuladores cuánticos están comenzando a cumplir su promesa como herramientas poderosas.

"Siempre hemos tenido la idea de que podemos usar fotones para simular y comprender mejor la naturaleza. Nuestra colaboración pone esto en práctica, "dice Dimitris Angelakis en el Centro de Tecnologías Cuánticas, Universidad Nacional de Singapur.

La hazaña fue realizada en la cadena de Google de nueve bits cuánticos superconductores (qubits) por colaboradores de Google y la Universidad de California en Santa Bárbara en los Estados Unidos. la Universidad Nacional de Singapur y la Universidad Técnica de Creta, Grecia. Muestra cómo un simulador cuántico puede reproducir todo tipo de comportamiento cuántico complejo exótico. Esto permitirá a los investigadores simular, y por lo tanto diseñar, materiales con exóticas propiedades de conducción electrónica, potencialmente abriendo una gama de nuevas aplicaciones.

"Con chips similares al que se usó en este experimento, estamos interesados ​​en estudiar problemas en el núcleo de la materia condensada, mecánica estadística, y dinámica de no equilibrio, "dice Pedram Roushan de Google, ingeniero en electrónica cuántica.

La mariposa de Hofstadter apareció por primera vez en 1976, en cálculos de electrones en un material bidimensional en un campo magnético fuerte. La mariposa mapea las divisiones y los cambios de los niveles de energía del electrón con los cambios en la intensidad del campo. En esta simulación cuántica, los fotones asumieron el papel de los electrones, mientras que las puertas de los qubits proporcionaron un análogo del campo magnético. El patrón de mariposa surgió de las medidas del equipo.

El experimento se basó en la invención del equipo de una nueva técnica de espectroscopia a la que llamaron "golpear y escuchar". La técnica mapea los niveles de energía de las partículas de luz, fotones de microondas, almacenado en los nueve qubits.

"Nuestro método es como tocar una campana. El sonido que produce es una superposición de todos los armónicos básicos. Al golpearlo en diferentes posiciones unas cuantas veces y escuchar la melodía el tiempo suficiente, se pueden resolver los armónicos ocultos. Hacemos lo mismo con el chip cuántico, golpeándolo con fotones y luego siguiendo su evolución en el tiempo, "explica Angelakis. El equipo vio la mariposa golpeando los qubits con un fotón a la vez.

El equipo también golpeó los qubits con dos fotones simultáneamente, e hizo que los qubits fueran desordenados, programando algo de aleatoriedad en sus propiedades, para estudiar el complejo fenómeno conocido como "localización de muchos cuerpos". Esta es una transición de fase cuántica, similar al cambio de fase que ocurre cuando el agua se congela en hielo, que determina si los materiales son conductores o aislantes El equipo encontró precursores de la localización de muchos cuerpos aplicando su técnica de "golpear y escuchar" a diferentes regímenes de desorden e interacción.

Hacer frente a este tipo de fenómeno puede proporcionar otra ruta para diseñar nuevos materiales útiles con propiedades de conducción exóticas. Sin embargo, Los físicos en general luchan por simular escenarios tan complejos. En la década de 1950 se predijo que el desorden en un material podría bloquear el movimiento de electrones a través de él. Eso se llama localización. Pero si las partículas pueden interactuar entre sí, el problema se vuelve "de muchos cuerpos" y mucho más difícil de modelar.

Por solo dos fotones en nueve qubits, el equipo podría simular en computadoras convencionales qué comportamiento esperar, encontrar un buen acuerdo con sus resultados experimentales. Pero agregue solo unos pocos qubits más y el problema se vuelve intratable para las máquinas clásicas.

Eso hace que la perspectiva de simuladores cuánticos más grandes sea atractiva para los científicos:podrían abordar problemas más allá del alcance de las supercomputadoras actuales.

"Comprender las fases cuánticas sigue siendo uno de los misterios sin resolver de la física", dice Roushan.