Al resolver problemas de física cuántica en sistemas de muchos cuerpos, como predecir las propiedades del material, las computadoras convencionales alcanzan rápidamente los límites de su capacidad. Los simuladores cuánticos digitales podrían ayudar, pero hasta ahora están drásticamente limitados a sistemas pequeños con pocas partículas y tiempos de simulación cortos. Ahora, El físico de la Universidad de Heidelberg, Dr. Philipp Hauke, y sus colegas de Dresde e Innsbruck (Austria) han demostrado que tales simulaciones pueden ser más robustas y, por lo tanto, mucho más estables de lo que se suponía anteriormente. Los resultados de su investigación fueron publicados en Avances de la ciencia .

En física cuántica, La teoría de muchos cuerpos describe una gran cantidad de partículas que interactúan. En el estado de equilibrio termodinámico, el sistema de muchos cuerpos se puede describir con sólo unos pocos valores como la temperatura o la presión, que son en gran parte homogéneos para todo el sistema. Pero, ¿qué sucede con el tiempo después de una gran perturbación? como cuando la energía se deposita abruptamente en una muestra de material por pulsos cortos de láser? Calcular con precisión la llamada dinámica de no equilibrio de los sistemas de muchos cuerpos que interactúan es un problema de alto perfil en la física cuántica.

Los cálculos que utilizan computadoras convencionales requieren recursos que aumentan exponencialmente con el número de partículas cuánticas constituyentes. “Así que los métodos computacionalmente exactos fallan con solo unas pocas docenas de partículas. Eso es mucho menos que el número necesario para predecir las propiedades de los materiales, por ejemplo. En esos casos, los científicos se basan en métodos de aproximación que a menudo no están controlados, especialmente cuando se trata de propiedades dinámicas, "explica el Dr. Hauke, investigador del Instituto Kirchhoff de Física y del Instituto de Física Teórica de la Universidad de Heidelberg. La simulación cuántica digital proporciona una posible solución. La dinámica del desequilibrio se estudia con simuladores que, a su vez, se rigen por leyes de la mecánica cuántica.

Representar la evolución del tiempo en una computadora cuántica requiere discretizarla en operaciones individuales. Pero este enfoque, también conocido como trotterización, genera inevitablemente un error inherente a la simulación en sí. Este error de Trotter puede mitigarse mediante discretizaciones suficientemente finas. Deben elegirse pasos de discretización extremadamente pequeños, sin embargo, para representar de manera confiable una evolución en el tiempo más largo. Hasta ahora, La investigación ha sostenido que el error crece rápidamente durante largos períodos de tiempo y con un mayor número de partículas, lo que para todos los propósitos prácticos limita drásticamente la simulación cuántica digital a sistemas pequeños y tiempos cortos.

Usando demostraciones numéricas y argumentos analíticos, los investigadores ahora han demostrado que la simulación cuántica es mucho más "robusta" y, por lo tanto, más estable de lo que se suponía anteriormente, siempre que solo se consideren los valores que son relevantes en la práctica, como los promedios de todo el sistema, y ​​no el estado completo de cada partícula individual. Para tales valores, existe un umbral agudo entre una región con errores controlables y una simulación que ya no puede ofrecer un resultado utilizable. Por debajo de este umbral, el error de Trotter tiene un impacto limitado; de hecho, para todos los períodos de tiempo que podrían ser prácticamente simulados y en gran medida independientes del número de partículas constituyentes.

Al mismo tiempo, La investigación mostró que la simulación cuántica digital puede ofrecer resultados asombrosamente precisos utilizando pasos de Trotter inesperadamente grandes. "Una simulación que puede predecir el comportamiento de muchas partículas cuánticas durante un tiempo más largo, por lo tanto, se vuelve cada vez más probable. Esto abre aún más la puerta para aplicaciones prácticas," que van desde la ciencia de los materiales y la química cuántica hasta cuestiones de física fundamental, "afirma el Dr. Hauke, quien dirige el grupo de investigación "Óptica cuántica y teoría cuántica de muchos cuerpos".