Los físicos han desarrollado un método de simulación cuántica que puede "enfriar virtualmente" un sistema cuántico experimental a una fracción de su temperatura real. El método podría potencialmente permitir el acceso a fenómenos de temperaturas extremadamente bajas, como formas inusuales de superconductividad, que nunca se han observado antes. La simulación implica preparar múltiples copias del estado cuántico del sistema, interfiriendo en los estados, y haciendo mediciones en cada copia, que finalmente produce una medición simulada en el mismo sistema a una temperatura más baja.

El equipo de físicos, Jordan Cotler de la Universidad de Stanford y coautores, ha publicado un artículo sobre el método de enfriamiento virtual cuántico en un número reciente de Revisión física X .

Como explicaron los investigadores, los resultados se basan en la idea de que existe una fuerte conexión entre la temperatura y el entrelazamiento cuántico.

"Una perspectiva moderna de la física es que la temperatura es una propiedad emergente del entrelazamiento cuántico, "Cotler dijo Phys.org . "En otras palabras, ciertos patrones de entrelazamiento cuántico dan lugar a la noción familiar de temperatura. Al manipular a propósito el patrón de entrelazamiento en un sistema, podemos acceder a temperaturas más bajas. Si bien estas notables ideas se entendían previamente teóricamente, descubrimos cómo implementarlos experimentalmente ".

Las futuras realizaciones experimentales de la técnica de enfriamiento virtual podrían permitir a los investigadores medir la temperatura de formas aparentemente imposibles.

"Es posible que podamos usar el enfriamiento virtual cuántico para 'cruzar' lo que se llaman transiciones de fase de temperatura finita, ", Dijo Cotler." Esto parece bastante extraño:sería como tomar dos vasos de agua líquida, y haciendo una medición cuántica, aprendes sobre las propiedades del hielo sólido. Notablemente, esto parece posible en principio, pero en la práctica, necesitamos utilizar sistemas que sean más fáciles de controlar que el agua. Sin embargo, todavía podemos preparar un sistema en una fase, y use enfriamiento virtual cuántico para sondear una fase diferente que solo ocurre a una temperatura más baja ".

Cómo funciona

El método de enfriamiento virtual está diseñado para funcionar en un tipo de sistema llamado sistema cuántico de muchos cuerpos fuertemente correlacionado. Un ejemplo de tal sistema es un sistema de átomos ultrafríos atrapados por una rejilla de láseres llamada "red óptica". Los átomos pueden saltar de un punto de cuadrícula a otro e interactuar entre sí. Teóricamente se predice que los sistemas cuánticos de muchos cuerpos fuertemente correlacionados, como los átomos atrapados ultrafríos, revelarán un comportamiento interesante a temperaturas ultrafrías. Desafortunadamente, muchos de los fenómenos de baja temperatura previstos nunca se han observado debido a la dificultad de enfriar a temperaturas tan frías.

Un enfoque desarrollado recientemente para el enfriamiento es utilizar un simulador cuántico, un sistema físico que consta de átomos, fotones, puntos cuánticos, o algún otro objeto físico, que se utiliza para modelar otro sistema físico que no se comprende tan bien. En el simulador cuántico presentado en el nuevo artículo, Los átomos a una temperatura accesible se utilizan para modelar átomos a una temperatura más fría, temperatura tradicionalmente inaccesible. En otras palabras, se está utilizando un sistema cuántico para simular un subconjunto de sí mismo a una temperatura más baja. Debido a sus propiedades cuánticas, Los simuladores cuánticos pueden realizar ciertas tareas como esta que están fuera del alcance de las computadoras clásicas. que no puede aprovechar el entrelazamiento cuántico y la superposición.

Una de las cosas clave del nuevo simulador es que no hay ningún enfriamiento físico real involucrado. En lugar de, el enfriamiento virtual se logra interfiriendo muchos átomos, midiendo esos átomos, y luego procesando los datos de medición. Demostrar, los físicos utilizaron el método para simular mediciones de la densidad de átomos en lo que se llama un "Modelo de Bose-Hubbard, "que especifica ciertos tipos de interacciones entre los átomos. El procedimiento básico implica preparar dos o más copias idénticas del estado cuántico de muchos átomos en diferentes ubicaciones físicas (aquí, las celosías ópticas). Luego, se induce un túnel cuántico entre las copias, lo que permite la interferencia atómica entre ellos. Finalmente, el número de átomos que ocupan cada sitio se mide para cada sitio de la red, que se hace utilizando un microscopio cuántico de gas.

Después de repetir el procedimiento varias veces a la temperatura real, y luego tomando el promedio, el método da la densidad local de átomos a una temperatura reducida de T / norte , dónde T es la temperatura real del sistema y norte es el número de copias utilizadas. En la demostración inicial, los investigadores utilizaron dos copias, lo que permitió el acceso al sistema a la mitad de su temperatura original. Estos resultados experimentales coincidieron estrechamente con las predicciones teóricas.

Si bien el método teóricamente permite que el sistema se enfríe virtualmente hasta su estado fundamental, es decir., el estado de temperatura cero, en la práctica, la cantidad de enfriamiento está limitada por las dificultades de escala involucradas en la medición de múltiples copias del sistema con una precisión suficientemente alta. Todavía, debido al hecho de que no hay enfriamiento físico involucrado, Los investigadores esperan que el método de simulación pueda usarse para reducir virtualmente la temperatura de un sistema cuántico después de que se hayan usado todos los métodos de enfriamiento físico. por lo que podría proporcionar enfriamiento adicional para cualquier otro método.

Geniales planes para el futuro

En el futuro, los físicos planean extender aún más el enfoque para extender el enfriamiento virtual cuántico para medir propiedades más complicadas. Si bien la configuración actual fue diseñada para medir solo la densidad atómica a bajas temperaturas, los físicos desarrollaron un enfoque alternativo de enfriamiento para medir otras propiedades. Este enfoque utiliza qubits en un circuito cuántico, similar a los protocolos de purificación por entrelazamiento.

Los investigadores también esperan aplicar enfriamiento virtual cuántico para investigar fenómenos de baja temperatura como la superconductividad de la onda D, un tipo de superconductividad de alta temperatura, que no se entiende tan bien como superconductividad a baja temperatura.

"Con respecto a la superconductividad de la onda D, Sería interesante observarlo como una fase de baja temperatura del modelo Fermion-Hubbard, que se puede realizar experimentalmente en el laboratorio, "Cotler dijo." Aquí, El 'modelo de Fermion-Hubbard' es la jerga física para un sistema con tipos específicos de interacciones, y con partículas constituyentes que son fermiones (de los cuales los electrones son un ejemplo bien conocido).

"Podrías preguntar, ¿Por qué es interesante este conjunto particular de interacciones? y ¿por qué nos importa la observación de una fase superconductora de onda D a bajas temperaturas? Hay varias razones. Una es que el modelo de Fermion-Hubbard es un buen sistema desde un punto de vista teórico, y puede proporcionar información sobre sistemas más complicados que observamos en la naturaleza, o quiere ingeniero.

"Sin embargo, Es difícil entender la superconductividad de baja temperatura en el sistema:las ecuaciones son demasiado difíciles, y simular el sistema en una computadora es casi imposible, incluso si tenemos una supercomputadora. Un enfoque es simular el modelo de Fermion-Hubbard en una computadora cuántica, pero todavía no tenemos uno que pueda hacerlo. En lugar de, podemos construir un modelo de Fermion-Hubbard en el laboratorio, y explore sus propiedades a baja temperatura enfriándolo. En otras palabras, no necesitamos una computadora cuántica porque en realidad estamos construyendo el sistema deseado en el laboratorio. Pero ahora el problema es enfriar el sistema experimental a temperaturas lo suficientemente bajas como para ver una fase superconductora. Esto está actualmente fuera de alcance, pero parece que el enfriamiento virtual cuántico puede ayudar ".

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