Los sistemas cuánticos pueden existir en muchos estados posibles, aquí ilustrado por grupos de giros, cada uno apuntando a lo largo de una cierta dirección. La termalización ocurre cuando un sistema explora uniformemente todas las configuraciones permitidas. En lugar de, cuando se forma una "cicatriz cuántica" (como se muestra en la figura), algunas configuraciones emergen como especiales. Esta característica permite que los sistemas con cicatrices mantengan la memoria del estado inicial a pesar de la termalización. Crédito:Zlatko Papic, Universidad de Leeds
Una nueva investigación da una idea de un experimento reciente que pudo manipular una cantidad sin precedentes de átomos a través de un simulador cuántico. Esta nueva teoría podría proporcionar otro paso en el camino hacia la creación de las escurridizas computadoras cuánticas.
Un equipo internacional de investigadores, dirigido por la Universidad de Leeds y en cooperación con el Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria y la Universidad de Ginebra, ha proporcionado una explicación teórica del comportamiento particular de los átomos individuales que fueron atrapados y manipulados en un experimento reciente de la Universidad de Harvard y el MIT. El experimento utilizó un sistema de láseres finamente ajustados para actuar como "pinzas ópticas" para ensamblar una cadena notablemente larga de 51 átomos.
Cuando se midió la dinámica cuántica de la cadena de átomos, hubo oscilaciones sorprendentes que persistieron durante mucho más tiempo de lo esperado y que no pudieron explicarse.
Coautor del estudio, Dr. Zlatko Papic, Profesor de Física Teórica en Leeds, dijo:"El experimento anterior de Harvard-MIT creó oscilaciones sorprendentemente robustas que mantuvieron a los átomos en un estado cuántico durante un tiempo prolongado. Encontramos estas oscilaciones bastante desconcertantes porque sugirieron que los átomos de alguna manera eran capaces de" recordar "su configuración inicial mientras todavía moviéndose caóticamente.
"Nuestro objetivo era comprender de manera más general de dónde podrían provenir esas oscilaciones, dado que las oscilaciones significan algún tipo de coherencia en un entorno caótico, y esto es precisamente lo que queremos de una computadora cuántica robusta. Nuestro trabajo sugiere que estas oscilaciones se deben a un nuevo fenómeno físico que llamamos 'cicatriz cuántica de muchos cuerpos' ".
En todos los días de la vida, las partículas rebotarán unas sobre otras hasta que exploren todo el espacio, asentarse finalmente en un estado de equilibrio. Este proceso se llama termolización. Una cicatriz cuántica es cuando una configuración o ruta especial deja una huella en el estado de las partículas que evita que llenen todo el espacio. Esto evita que los sistemas alcancen la termolización y les permite mantener algunos efectos cuánticos.
En la parte inferior se pueden ver 10 átomos que oscilan entre el estado fundamental (negro) y el estado excitado (blanco). Dado que este es un sistema cuántico, los átomos pueden estar simultáneamente en la superposición de todas las 47 configuraciones posibles. El gráfico superior muestra las diferentes probabilidades de estas configuraciones individuales a lo largo del tiempo. Crédito:IST Austria / Maksym Serbyn
El Dr. Papic dijo:"Estamos aprendiendo que la dinámica cuántica puede ser mucho más compleja e intrincada que la simple termolización. El beneficio práctico es que los períodos prolongados de oscilaciones son exactamente lo que se necesita para que las computadoras cuánticas se conviertan en una realidad. La información procesada y almacenados en estas computadoras dependerá de mantener los átomos en más de un estado en cualquier momento, es una batalla constante para evitar que las partículas se asienten en un equilibrio ".
En el sistema cuántico, un mapa de probabilidad reemplaza la pelota, pero también existe el caos y la memoria de trayectorias clásicas. Crédito:IST Austria / Maksym Serbyn
Autor principal del estudio, Christopher Turner, investigador de doctorado en la Escuela de Física y Astronomía de Leeds, dijo:"Las teorías anteriores que involucran cicatrices cuánticas se han formulado para una sola partícula. Nuestro trabajo ha extendido estas ideas a sistemas que contienen no una sino muchas partículas, que están todos enredados entre sí de formas complicadas. Las cicatrices cuánticas de muchos cuerpos podrían representar una nueva vía para realizar una dinámica cuántica coherente ".
Pelota rebotando caóticamente en un estadio (arriba). Si comienza cerca de una trayectoria inestable, permanece cerca de esta trayectoria durante algún tiempo, pero finalmente se escapa (abajo). Crédito:IST Austria / Maksym Serbyn
La teoría cuántica de cicatrices de muchos cuerpos arroja luz sobre los estados cuánticos que sustentan la extraña dinámica de los átomos en el experimento Harvard-MIT. Comprender este fenómeno también podría allanar el camino para proteger o extender la vida útil de los estados cuánticos en otras clases de sistemas cuánticos de muchos cuerpos.
