Un grupo internacional de investigadores, incluyendo al físico de UvA Michael Walter, han ideado nuevos métodos para crear estados de entrada interesantes para cálculos cuánticos y simulaciones. Los nuevos métodos se pueden utilizar para simular ciertos sistemas electrónicos con una precisión arbitrariamente alta. Los resultados fueron publicados en la principal revista Revisión física X esta semana.

Cuando pensamos en información, a menudo pensamos en bits de computadora clásicos:dispositivos que pueden almacenar un '0' o un '1' y que pueden manipularse para hacer cálculos. Recientemente, sin embargo, Los físicos están cada vez más interesados ​​en la teoría de la información cuántica, donde las unidades básicas de información son bits cuánticos, o qubits para abreviar. Qubits:diminutos electrones giratorios, por ejemplo, tienen dos propiedades que las hacen incluso más interesantes que sus contrapartes clásicas. En primer lugar, no tienen que estar exactamente en el estado '0' o '1' (girando en sentido horario o antihorario, por ejemplo), pero pueden estar en superposiciones más complicadas, algo así como "tener un 30% de probabilidad de girar en el sentido de las agujas del reloj y un 70% de girar en el sentido contrario a las agujas del reloj". Además, Los qubits pueden compartir información entre sí:las probabilidades de un qubit pueden depender de las probabilidades de otro qubit (en el lenguaje de la física, los qubits están enredados).

Simulando la física cuántica

Juntos, estas dos propiedades hacen que la información cuántica sea mucho más flexible y potencialmente mucho más poderosa que la información clásica. Computadoras cuánticas, por ejemplo, podemos hacer cálculos que no sabemos cómo realizar usando computadoras ordinarias, incluso si tuviéramos miles de millones de años de tiempo de computación; el famoso ejemplo es el descifrado de código mediante la factorización prima de números grandes. Pero las computadoras cuánticas no solo son útiles para resolver problemas matemáticos; también pueden resultar muy útiles para los físicos. Simular sistemas cuánticos, por ejemplo, es bastante elaborado en una computadora ordinaria. Por su propia naturaleza, Los futuros ordenadores cuánticos estarán mucho mejor equipados para realizar este tipo de simulaciones.

El progreso reciente en la comprensión de la física de la información cuántica ha llevado a métodos novedosos para simular la física cuántica. tanto en las computadoras clásicas existentes como en las futuras computadoras cuánticas. Para estos desarrollos son cruciales los procedimientos operativos para preparar estados cuánticos interesantes que podrían servir como entrada para estos cálculos y simulaciones. Un objetivo particularmente emocionante es, por ejemplo, describir las propiedades físicas de los sistemas de electrones. Las propiedades electrónicas son importantes tanto para la química como para la ciencia de los materiales, pero estas propiedades han resultado ser muy difíciles de calcular utilizando métodos tradicionales.

Un grupo internacional de investigadores ha logrado avances significativos en este tema. Entre ellos se encuentra el físico de UvA Michael Walter, actualmente es profesor asistente en el instituto QuSoft en Amsterdam, y anteriormente investigador postdoctoral en Stanford, donde se desarrolló gran parte de su obra.

Walter y sus colegas se han basado en conocimientos de la física de muchos cuerpos, ciencia de la información cuántica, y procesamiento de señales para derivar nuevos procedimientos de preparación para varios estados cuánticos no triviales. Los resultados toman la forma de "circuitos cuánticos", que son secuencias de operaciones físicas que preparan un estado de interés a partir de un estado inicial simple. El artículo, en particular, considera una clase de estados metálicos que han demostrado ser difíciles de abordar debido a su alto grado de entrelazamiento cuántico. A través de sus métodos, los investigadores ahora han logrado dar procedimientos de preparación para estos estados.

Los nuevos resultados, que fueron publicados en Revisión física X esta semana, son dignos de mención porque los métodos no solo parecen funcionar; los autores pueden demostrar matemáticamente que deben funcionar. Los resultados forman un trampolín para futuros cálculos cuánticos:las técnicas del artículo servirán de manera plausible como un elemento clave para abordar estados electrónicos más complejos que incluyen los efectos de las interacciones de los electrones.