Se ha descubierto una nueva técnica para estudiar las propiedades de moléculas y materiales en un simulador cuántico.

La nueva técnica innovadora, por el físico Oleksandr Kyriienko de la Universidad de Exeter, podría ser pionero en un nuevo camino hacia la próxima generación de computación cuántica.

Los métodos actuales de computación cuántica para estudiar las propiedades de moléculas y materiales en una escala tan diminuta se basan en una computadora cuántica tolerante a fallas ideal o en técnicas variacionales.

Este nuevo enfoque propuesto, en cambio, se basa en la implementación de la evolución cuántica que estaría fácilmente disponible en muchos sistemas. El enfoque es favorable para las configuraciones cuánticas modernas de última generación, en particular, incluidas las redes de átomos fríos, y puede servir como software para futuras aplicaciones en ciencia de materiales.

El estudio podría allanar el camino para estudiar las propiedades de sistemas fuertemente correlacionados, incluido el codiciado modelo de Fermi-Hubbard, que potencialmente puede ofrecer la explicación de la superconductividad de alta temperatura.

La investigación se publica en la nueva revista Nature. npj Información cuántica .

Dr. Kyriienko, parte del departamento de Física de la Universidad de Exeter y autor principal dijo:"Hasta ahora he visto que la capacidad de ejecutar la dinámica cuántica se puede utilizar para encontrar las propiedades del estado fundamental.

"La pregunta, sin embargo, permanece, ¿podemos usarlo para estudiar estados excitados? ¿Podemos idear otro algoritmo poderoso basado en los principios? La experiencia dice que esto es posible, y será un tema de esfuerzos futuros ".

La idea de la simulación cuántica fue propuesta por el premio Nobel Richard Feynman en 1982, donde sugirió que los modelos cuánticos se pueden simular de manera más natural si usamos un sistema cuántico bien controlado e inherentemente.

Desarrollando esta idea, ha surgido una rama separada de la ciencia de la información cuántica, basado en la noción de computadora cuántica, un dispositivo cuántico universal donde las secuencias digitales de operaciones (puertas cuánticas) permiten resolver ciertos problemas con una escala superior de operación requerida en comparación con las computadoras clásicas convencionales.

Sin embargo, la intención original de Feynman, que más tarde se denominó simulación cuántica analógica, hasta ahora se ha utilizado principalmente para observar propiedades dinámicas de sistemas cuánticos, al tiempo que impide encontrar el estado fundamental asociado a diversas tareas de cálculo.

En el nuevo estudio, Oleksandr Kyriienko ha demostrado que es posible explotar la evolución secuencial del sistema con mediciones de superposición de funciones de onda, de modo que el estudio efectivo de las propiedades del estado fundamental se hace posible con simuladores cuánticos analógicos.

La técnica principal que permite alcanzar el estado fundamental es la representación efectiva de un operador no unitario que "destila" el estado fundamental ejecutando la suma de los operadores de evolución unitaria para diferentes tiempos de evolución.

En tono rimbombante, el estudio sugiere que la dinámica del sistema cuántico es un recurso valioso para la computación, ya que la capacidad de propagar el sistema junto con las mediciones de superposición puede dar acceso al espectro de baja temperatura de un sistema cuántico que define su comportamiento.

Los hallazgos establecen el marco con simulación cuántica basada en dinámica utilizando simuladores cuánticos programables, y sirven como software cuántico para muchos sistemas de celosía cuántica bien controlados donde un gran número de átomos (~ 100) impide la simulación clásica.

Esto, a su vez, puede revolucionar nuestra comprensión de la química y los sistemas complejos de materia condensada.