Una nueva y poderosa forma de computación podría ayudar a los científicos a diseñar nuevos tipos de materiales para nanoelectrónica, permitir que las aerolíneas resuelvan problemas logísticos complejos para garantizar que los vuelos se realicen a tiempo, y hacer frente a los atascos de tráfico para que los coches circulen con mayor libertad en carreteras con mucho tráfico.

Si bien las computadoras digitales modernas son capaces de realizar impresionantes hazañas de cálculo, hay algunos problemas con los que incluso las supercomputadoras más avanzadas luchan. Pero los investigadores creen que las nuevas computadoras que aprovechan el poder de la mecánica cuántica, que gobiernan el extraño comportamiento de partículas microscópicas como bosones, fermiones, y cualquiera podría solucionar estos problemas en cuestión de segundos.

La construcción de computadoras cuánticas de propósito general ha demostrado ser excepcionalmente difícil y, actualmente, sólo se está desarrollando un puñado de máquinas caras.

En cambio, algunos científicos están adoptando otro enfoque mediante la construcción de sistemas informáticos conocidos como simuladores cuánticos analógicos en un intento de encontrar un atajo a algunas de las respuestas que las computadoras cuánticas prometen proporcionar.

Estos simuladores están diseñados para explorar propiedades específicas de la física cuántica modelando cómo podrían comportarse las partículas más pequeñas del universo. Esto, a su vez, se puede aplicar para resolver problemas complejos en el mundo en general que actualmente son imposibles de resolver o que podría llevar toda una vida hacerlo utilizando computadoras clásicas.

'La analogía que realmente me gusta es que los simuladores cuánticos analógicos son un poco como un túnel de viento, dijo el profesor Andrew Daley, un físico de la Universidad de Strathclyde, REINO UNIDO, y miembro del proyecto PASQuanS. “Hace un par de décadas era imposible simular el flujo de aire en una computadora, así que en su lugar construías un modelo a escala y lo colocabas en un túnel de viento.

Pero con la simulación cuántica analógica, la escala va al revés, en lugar de hacer una versión más pequeña, estás haciendo uno más grande. Esto lo hace más controlable y, por lo tanto, es más fácil aprender los detalles de cómo podría funcionar algo '.

Ampliado

Reuniendo a un equipo de investigadores de toda Europa, el proyecto intenta construir algunos de los simuladores cuánticos analógicos más potentes hasta la fecha utilizando átomos e iones como modelos ampliados de partículas subatómicas.

Por ejemplo, átomos ultrafríos, que se han enfriado a solo unos pocos grados por encima del cero absoluto, se puede suspender en una red formada por luz láser para simular cómo se mueven los electrones en un cristal. Hasta aquí, Los simuladores cuánticos de última generación utilizan alrededor de 100 átomos ultrafríos o hasta 20 iones en sus modelos, pero el equipo espera mejorar sus sistemas para tener más de 1, 000 átomos y hasta 50 iones.

Esto podría llevar el poder de estos simuladores mucho más allá de lo que es posible con la computación clásica en una escala de tiempo mucho más corta de lo que sería posible construyendo una computadora cuántica general. dice el profesor Daley.

Un desafío clave es hacer que los simuladores sean más controlables y programables. Los investigadores involucrados en el proyecto están desarrollando nuevas técnicas para controlar los átomos, como atraparlos con 'pinzas' láser, excitando átomos seleccionados en estados de alta energía o moviéndolos para que interactúen de diferentes maneras.

'El bit programable se trata de hacer que estos sistemas sean altamente controlables, de forma bien calibrada, en el nivel de los sitios de celosía individuales, iones individuales o átomos individuales, dijo el profesor Daley.

Si bien estos simuladores podrían ayudar a los físicos a resolver cuestiones exigentes sobre el comportamiento de las partículas en los sistemas cuánticos, también se pueden utilizar para abordar problemas más importantes del mundo real, también.

Algoritmos de recocido cuántico, por ejemplo, explotar una peculiaridad de la física cuántica mediante la cual las partículas subatómicas, los átomos y las moléculas más grandes pueden encontrar el camino de menor resistencia al cambiar los estados de energía. Esto se puede comparar a tratar de hacer rodar una pelota cuesta arriba para llegar a un valle más profundo en el otro lado; si la pelota no recibe suficiente empujón, no tendrá la energía para alcanzar la cima de la colina y simplemente rodará hacia atrás. Partículas cuánticas, en comparación, pueden eludir los picos de energía que tienen que superar simplemente haciendo un túnel a través de ellos.

Optimización

Esta capacidad para encontrar estados de baja energía más fácilmente significa que el recocido cuántico se puede utilizar para encontrar formas de optimizar redes de tráfico complicadas o cadenas logísticas complicadas.

'Podemos tomar un problema de otro lugar y mapearlo en la interacción entre los átomos o iones, dijo el profesor Daley. "Entonces podemos empezar a hacer preguntas para encontrar la configuración de energía más baja posible".

Grandes empresas como Airbus, Total, Bosch, Electricité de France (EDF) y Siemens ya han expresado interés en explorar este enfoque. Investigadores de las empresas están trabajando con el proyecto en un intento por encontrar posibles aplicaciones que puedan aplicarse a sus operaciones comerciales.

En aviones, por ejemplo, Podría usarse para ayudar a garantizar que los aviones y la tripulación de la aerolínea estén en el lugar correcto para que los vuelos se desarrollen sin problemas.

También podría usarse para modelar rápidamente la mejor manera de desviar el tráfico en carreteras con mucho tráfico para evitar la congestión y reducir la contaminación.

'Hemos creado un foro de usuarios finales para obtener ideas específicas sobre el tipo de problemas que se pueden implementar en plataformas de simulación cuántica analógica, dijo el profesor Daley. "Estos son grandes problemas que son particularmente interesantes para la industria que luego podríamos imitar en nuestros sistemas".

El poder de los simuladores cuánticos va más allá de encontrar formas de optimizar procesos. El profesor Daley y sus colegas dicen que una de las primeras aplicaciones de sus simuladores cuánticos será ayudar a diseñar nuevos materiales. incluso para nanoelectrónica y superconductores.

Esto es algo que también persigue el proyecto Qombs mediante la creación de una simulación cuántica analógica para diseñar una nueva generación de material que pueda producir láseres infrarrojos altamente sintonizables. La longitud de onda (o color) de los láseres modernos está determinada por los elementos del diodo utilizado para generar la luz.

Pero al cultivar cristales que contienen diferentes concentraciones de metales como el aluminio, galio y arsénico en capas, Los investigadores detrás del proyecto quieren crear materiales semiconductores que puedan producir luz láser en longitudes de onda que de otro modo serían imposibles. Estos dispositivos se conocen como láseres de cascada cuántica.

Láseres

`` Estamos utilizando simulaciones cuánticas para optimizar y obtener nuevas características que mejorarán el rendimiento que es posible con los láseres de cascada cuántica en la actualidad, 'dijo el Dr. Francesco Cappelli, investigador del Instituto Nacional de Óptica de Florencia, Italia, y miembro del equipo de Qombs.

Simulando cómo los electrones y fotones podrían comportarse en diferentes estructuras y concentraciones de metales, el equipo espera controlar mejor la longitud de onda de la luz producida por los dispositivos.

Si tiene éxito, podría conducir a dispositivos que pueden producir luz con longitudes de onda extremadamente largas que se extienden hasta el infrarrojo medio y lejano, algo que actualmente es inalcanzable.

'Estos podrían usarse en la comunicación, como la luz no es absorbida por los gases en la atmósfera en estas longitudes de onda, dijo el Dr. Cappelli. 'No solo la atmósfera es transparente, pero la dispersión debida a la humedad y el polvo también se reduce en comparación con los láseres visibles ».

La sintonización de los láseres a longitudes de onda específicas también podría permitir su uso en sensores para detectar gases específicos, como contaminantes u otras sustancias nocivas.

Un láser de cascada cuántica sintonizado para emitir luz con la longitud de onda exacta absorbida por el dióxido de nitrógeno, por ejemplo, podría usarse para medir con precisión los niveles de gas en áreas urbanas.

'Diseñar cristales semiconductores con este tipo de propiedades nunca sería posible en computadoras clásicas, Dijo el Dr. Capelli.

El poder de la computación cuántica

En las computadoras tradicionales, la información está contenida en dígitos binarios, o bits, que tienen un valor único de 1 o 0.

En sistemas cuánticos, Las partículas subatómicas pueden existir no solo en estados binarios 1 o 0, pero contienen múltiples combinaciones de 1 y 0 al mismo tiempo para formar un "qubit". Como un qubit puede ser 1, 0, o 1 y 0 todos a la vez, significa que se pueden realizar muchos más cálculos simultáneamente.

Aún más extraño, pares de qubits también pueden enredarse de modo que cuando se cambia el estado de uno, el otro cambia instantáneamente con él, incluso si están separados por grandes distancias. Este misterioso fenómeno aumenta exponencialmente la capacidad de procesamiento de números de una máquina cuántica.