Cuando hablamos de "tecnología de la información, "generalmente nos referimos a la parte tecnológica, como computadoras, redes, y software. Pero la información en sí y su comportamiento en sistemas cuánticos, es un enfoque central para el Grupo de Ingeniería Cuántica (QEG) interdisciplinario del MIT, ya que busca desarrollar la computación cuántica y otras aplicaciones de la tecnología cuántica.

Un equipo de QEG ha proporcionado una visibilidad sin precedentes de la difusión de información en grandes sistemas de mecánica cuántica, a través de una metodología y métrica de medición novedosas descritas en un nuevo artículo de Physics Review Letters. El equipo ha podido, por primera vez, para medir la propagación de correlaciones entre espines cuánticos en cristal de fluorapatita, utilizando una adaptación de técnicas de resonancia magnética nuclear (RMN) de estado sólido a temperatura ambiente.

Los investigadores creen cada vez más que una comprensión más clara de la difusión de información no solo es esencial para comprender el funcionamiento del reino cuántico, donde las leyes clásicas de la física a menudo no se aplican, pero también podría ayudar a diseñar el "cableado" interno de las computadoras cuánticas, sensores, y otros dispositivos.

Un fenómeno cuántico clave es la correlación no clásica, o enredo, en el que pares o grupos de partículas interactúan de tal manera que sus propiedades físicas no se pueden describir de forma independiente, incluso cuando las partículas están muy separadas.

Esa relación es fundamental para un campo de la física que avanza rápidamente, teoría de la información cuántica. Propone una nueva perspectiva termodinámica en la que la información y la energía están vinculadas, en otras palabras, esa información es física, y que el intercambio de información a nivel cuántico subyace en la tendencia universal hacia la entropía y el equilibrio térmico, conocido en los sistemas cuánticos como termalización.

Paola Cappellaro, jefa de QEG, la Profesora Asociada Esther y Harold E. Edgerton de Ciencia e Ingeniería Nuclear, fue coautor del nuevo artículo con el estudiante de posgrado en física Ken Xuan Wei y el colaborador de muchos años Chandrasekhar Ramanathan de Dartmouth College.

Cappellaro explica que un objetivo principal de la investigación fue medir la lucha a nivel cuántico entre dos estados de la materia:termalización y localización, un estado en el que la transferencia de información está restringida y la tendencia hacia una mayor entropía se resiste de alguna manera a través del desorden. El trabajo del equipo de QEG se centró en el complejo problema de la localización de muchos cuerpos (MBL), donde el papel de las interacciones espín-espín es fundamental.

La capacidad de recopilar estos datos de forma experimental en un laboratorio es un gran avance, en parte porque la simulación de sistemas cuánticos y las transiciones de localización-termalización es extremadamente difícil incluso para las computadoras más poderosas de la actualidad. "El tamaño del problema se vuelve intratable muy rápidamente, cuando tienes interacciones, ", dice Cappellaro." Puede simular quizás 12 giros usando la fuerza bruta, pero eso es todo, mucho menos de lo que el sistema experimental es capaz de explorar ".

Las técnicas de RMN pueden revelar la existencia de correlaciones entre espines, ya que los giros correlacionados giran más rápido bajo campos magnéticos aplicados que los giros aislados. Sin embargo, Los experimentos tradicionales de RMN solo pueden extraer información parcial sobre las correlaciones. Los investigadores de QEG combinaron esas técnicas con su conocimiento de la dinámica de espín en su cristal, cuya geometría limita aproximadamente la evolución a cadenas de espín lineales.

"Ese enfoque nos permitió calcular una métrica, longitud media de correlación, para cuántos giros están conectados entre sí en una cadena, "dice Cappellaro." Si la correlación está creciendo, le dice que la interacción está ganando contra el trastorno que está causando la localización. Si la longitud de la correlación deja de crecer, el desorden está ganando y manteniendo el sistema en un estado más cuántico localizado ".

Además de poder distinguir entre diferentes tipos de localización (como MBL y la localización Anderson más simple), el método también representa un posible avance hacia la capacidad de controlar estos sistemas a través de la introducción del desorden, que promueve la localización, Añade Cappellaro. Dado que MBL conserva la información y evita que se codifique, tiene potencial para aplicaciones de memoria.

El enfoque de la investigación "aborda una cuestión fundamental sobre la base de la termodinámica, la cuestión de por qué los sistemas se termalizan e incluso por qué existe la noción de temperatura, "dice el ex postdoctorado del MIT Iman Marvian, quien ahora es profesor asistente en los departamentos de Física e Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad de Duke. "Durante los últimos 10 años, ha habido una creciente evidencia, desde argumentos analíticos hasta simulaciones numéricas, que aunque las diferentes partes del sistema interactúan entre sí, en la fase MBL, los sistemas no se termalizan. Y es muy emocionante que ahora podamos observar esto en un experimento real ".

"La gente ha propuesto diferentes formas de detectar esta fase de la materia, pero son difíciles de medir en un laboratorio, "Marvian explica." El grupo de Paola lo estudió desde un nuevo punto de vista e introdujo cantidades que se pueden medir. Estoy realmente impresionado de cómo han podido extraer información útil sobre MBL de estos experimentos de RMN. Es un gran progreso porque permite experimentar con MBL en un cristal natural ".

La investigación pudo aprovechar las capacidades relacionadas con la RMN desarrolladas bajo una subvención anterior de la Fuerza Aérea de EE. UU. dice Cappellaro, y algunos fondos adicionales de la National Science Foundation. Las perspectivas para esta área de investigación son prometedoras, ella agrega. "Por mucho tiempo, La mayor parte de la investigación cuántica de muchos cuerpos se centró en las propiedades del equilibrio. Ahora, porque podemos hacer muchos más experimentos y nos gustaría diseñar sistemas cuánticos, hay mucho más interés en la dinámica, y nuevos programas dedicados a esta área general. Así que, con suerte, podemos obtener más fondos y continuar con el trabajo ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.