Se está llevando a cabo una intensa investigación sobre simuladores cuánticos:prometen calcular con precisión las propiedades de sistemas cuánticos complejos, cuando fallan las computadoras convencionales e incluso las supercomputadoras. En un proyecto cooperativo, teóricos del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica de Garching y del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) han desarrollado una nueva caja de herramientas para simuladores cuánticos y la han publicado en Avances de la ciencia . Utiliza el principio de topología ganador del Premio Nobel para permitir bits cuánticos, por ejemplo átomos individuales, comunicarse entre sí a través de "canales de radio topológicos". Los "canales de radio" son proporcionados por un campo de luz que viaja en una guía de ondas de una manera robusta con la ayuda de la topología. El concepto ofrece espacio para ideas completamente nuevas, que van desde la investigación básica hasta la información cuántica.

"¿Cómo podemos hacer que dos bits cuánticos distantes 'hablen' entre sí?" pregunta Alejandro González-Tudela. "¡Este es un desafío esencial en el campo de la información cuántica y la simulación!" Hasta hace poco, el físico teórico fue becario postdoctoral en el departamento de Ignacio Cirac, director del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching, y hoy es investigador permanente en el Instituto de Física Fundamental IFF-CSIC de Madrid. Junto a Cirac y dos colegas españoles del Instituto de Ciencias de Materiales de Madrid, ahora ha publicado un artículo científico que presenta una caja de herramientas completamente nueva para la fotónica. La fotónica es una rama de la física que se ocupa de la interacción entre la luz y la materia y su aplicación técnica.

Una posible aplicación es la llamada simulación cuántica, que se remonta a una idea del famoso ganador del Premio Nobel estadounidense Richard Feynman. Si uno quiere calcular el comportamiento de un sistema cuántico con la mayor precisión posible en una computadora convencional, la potencia de cálculo necesaria se duplica con cada nueva partícula cuántica del sistema. Debido a esta avalancha matemática, incluso los sistemas cuánticos relativamente pequeños que constan de solo unas pocas docenas de partículas superan el rendimiento de incluso las supercomputadoras convencionales. Por esta razón, Feynman tuvo la idea hace décadas de simular el comportamiento de un sistema cuántico con la ayuda de otro sistema cuántico. En principio, tal simulador cuántico es una computadora cuántica especializada cuyos bits cuánticos individuales pueden controlarse fácilmente desde el exterior, en contraste con el sistema cuántico bastante inaccesible cuyo comportamiento se supone que simula.

Estos simuladores cuánticos han sido objeto de una intensa investigación durante muchos años. Por ejemplo, prometen proporcionar una mejor comprensión de las propiedades de los materiales, como la superconductividad o el magnetismo complejo. También juegan un papel importante en el Instituto de Garching. Por ejemplo, un simulador puede consistir en una nube de átomos ultrafríos atrapados en una red espacial de luz láser. Si estos bits cuánticos, o qubits para abreviar, van a interactuar entre sí, lo hacen intercambiando cuantos de luz, fotones. Sin embargo, un átomo normalmente emite tal fotón en alguna dirección aleatoria. Sería mucho más eficiente para las simulaciones cuánticas si el qubit pudiera apuntar su fotón directamente a su próximo vecino o al siguiente, pero a uno.

Radio de fotones robusta

González-Tudela y su equipo han desarrollado ahora un principio teórico que permite tal "radio de fotones" dirigida entre átomos. "Tenemos que empaquetar los qubits y fotones en una guía de ondas, "explica el teórico. Sin embargo, ¿Cómo "cableas" un conjunto de átomos que flotan en una rejilla de luz en el espacio con tales guías de ondas y los haces hablar de manera robusta? La respuesta de los cuatro teóricos es:con una luz extremadamente engañosa.

El truco consiste esencialmente en transferir el concepto matemático de topología de la física del estado sólido a la fotónica. En física del estado sólido, ha provocado un gran revuelo en los últimos años porque puede producir completamente nuevos, propiedades materiales previamente desconocidas. En 2016, los tres físicos británicos David Thouless, Duncan Haldane y Michael Kosterlitz fueron galardonados con el Premio Nobel de Física por introducir con éxito conceptos topológicos en la física del estado sólido. En principio, la pregunta es cuántos agujeros tiene un cuerpo geométrico. Una taza de cafe por ejemplo, tiene un agujero en el mango como un anillo de rosquilla en el centro, y así ambos tienen el topológico número uno. La consecuencia:desde un punto de vista puramente geométrico, la taza y la rosquilla se pueden transformar fácilmente entre sí. Por otra parte, Se encuentra una resistencia topológica violenta cuando una rosquilla de un orificio se va a transformar en un pretzel de tres orificios.

En física, esta regla del número de huecos tiene como consecuencia que la topología puede estabilizar enormemente determinadas propiedades físicas frente a perturbaciones. Y esto conduce al segundo gran desafío en la información cuántica y, por lo tanto, en la simulación cuántica:las perturbaciones ubicuas hacen que la información cuántica altamente sensible decaiga rápidamente.

"Esta llamada decoherencia es el mayor problema de la información cuántica, "dice González-Tudela. Las cautivadoras propiedades de la topología pronto llevaron a las mentes inteligentes a la conclusión de que los bits cuánticos sensibles podrían empaquetarse en sistemas físicos con tales propiedades topológicas. Esto se está investigando en física del estado sólido, por ejemplo, y grandes empresas como Microsoft también están invirtiendo fuertemente en esta investigación.

Caja de herramientas topológicas

González-Tudela y sus tres coautores han ideado ahora una caja de herramientas con la que estos conceptos topológicos se pueden transferir a la fotónica. Algunos sistemas, como los átomos ultrafríos en las rejillas de luz, ya están muy avanzados en su capacidad de control. Por tanto, ofrecen muchas posibilidades para la simulación cuántica. La caja de herramientas de los cuatro teóricos abre un nuevo espacio para muchas ideas creativas. Simplemente pon, consta de un conjunto de bits cuánticos, por ejemplo, átomos individuales dispuestos en línea. Pueden interactuar con una construcción ingeniosa, "baño de luz" lineal que se comporta como la guía de ondas que buscaban los físicos teóricos.

Si ahora se manipulan los distintos tornillos de ajuste del sistema, los bits cuánticos pueden intercambiar fotones según se desee a través de esta guía de ondas. Pero no solo eso:por ejemplo, un qubit puede enviar su información en una dirección, pero permanecen completamente a oscuras en la dirección opuesta. Tales interacciones son extremadamente difíciles de producir en el micromundo de los átomos.

Por lo tanto, la caja de herramientas de los cuatro teóricos ofrece muchas posibilidades nuevas para permitir que los bits cuánticos se comuniquen entre sí. Esto es exactamente lo que necesitan los futuros simuladores cuánticos. El concepto también es universal:también se puede realizar en algunos sistemas cuánticos compuestos por muchos qubits que se están investigando actualmente. El nuevo trabajo de los cuatro teóricos podría convertirse en el núcleo de ideas completamente nuevas, que van desde la investigación básica pura hasta la información cuántica.