Las reglas de la mecánica cuántica describen cómo los átomos y las moléculas actúan de manera muy diferente al mundo que nos rodea. Los científicos han progresado en el desarrollo de estas reglas, esenciales para encontrar formas de producir nuevas moléculas y una mejor tecnología, pero algunas son tan complejas que evaden la verificación experimental.

Con la llegada de las computadoras cuánticas de acceso abierto, Los científicos de la Universidad de Chicago vieron la oportunidad de hacer un experimento muy inusual para probar algunos de estos principios cuánticos. Su estudio, que apareció el 31 de enero en Naturaleza Comunicaciones Física , esencialmente secuestra una computadora cuántica para descubrir verdades fundamentales sobre el comportamiento cuántico de los electrones en las moléculas.

"La computación cuántica es un ámbito realmente emocionante para explorar cuestiones fundamentales. Nos permite observar aspectos de la teoría cuántica que son absolutamente intocables con las computadoras clásicas". "dijo el profesor David Mazziotti, profesor de química y autor del artículo.

Una regla particular de la mecánica cuántica, llamado el principio de exclusión de Pauli, es que dos electrones no pueden ocupar la misma posición en el espacio al mismo tiempo. En muchos casos, los electrones de una molécula experimentan restricciones adicionales en su ubicación; estos se conocen como las restricciones de Pauli generalizadas. "Estas reglas informan la forma en que se forman todas las moléculas y la materia, "dijo Mazziotti.

En este estudio, Mazziotti, El profesor David Shuster y el estudiante de posgrado Scott Smart crearon un conjunto de algoritmos que le pedirían a la computadora Q Experience de IBM que generara aleatoriamente estados cuánticos en sistemas de tres electrones. y luego medir dónde se encuentran probablemente los electrones.

"Supongamos que las restricciones de Pauli generalizadas no fueran ciertas:en ese escenario, aproximadamente la mitad de los estados cuánticos exhibirían una violación, "dijo Smart, el primer autor del artículo. En lugar de, en los muchos estados cuánticos formados, encontraron que las violaciones de las restricciones de Pauli generalizadas ocurrían muy raramente en un patrón consistente con el ruido en el circuito cuántico.

Los resultados proporcionan una sólida verificación experimental, dijeron los científicos.

"Las restricciones de Pauli generalizadas más simples se descubrieron teóricamente en una computadora clásica en IBM a principios de la década de 1970, por lo que es apropiado que por primera vez se verifiquen experimentalmente en una computadora cuántica de IBM, "Dijo Mazziotti.

El descubrimiento es otro gran avance en la frontera de los esfuerzos cuánticos en la Universidad; esfuerzos recientes han incluido un teletransportador cuántico de tres laboratorios, "pasos hacia sensores cuánticos más potentes, y una colaboración para desarrollar algoritmos para computadoras cuánticas emergentes.

Una pregunta abierta es cómo las restricciones de Pauli generalizadas pueden ser útiles para mejorar la tecnología cuántica. "Contribuirán potencialmente a lograr cálculos cuánticos más eficientes, así como mejores esquemas de corrección de errores, lo que es fundamental para que las computadoras cuánticas alcancen su máximo potencial". "Dijo Mazziotti.