"Piense en lo que podemos hacer si le enseñamos a una computadora cuántica a hacer mecánica estadística, "planteó Michael McGuigan, un científico computacional con la Iniciativa de Ciencia Computacional en el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU.

En el momento, McGuigan estaba reflexionando sobre Ludwig Boltzmann y cómo el renombrado físico tuvo que defender enérgicamente sus teorías de la mecánica estadística. Boltzmann, quien ofreció sus ideas sobre cómo las propiedades atómicas determinan las propiedades físicas de la materia a fines del siglo XIX, tenía un obstáculo extraordinariamente grande:ni siquiera se probó la existencia de átomos en ese momento. La fatiga y el desánimo derivados de que sus compañeros no aceptaran sus puntos de vista sobre los átomos y la física obsesionaron a Boltzmann para siempre.

Hoy dia, Factor de Boltzmann, que calcula la probabilidad de que un sistema de partículas se pueda encontrar en un estado de energía específico en relación con la energía cero, es ampliamente utilizado en física. Por ejemplo, El factor de Boltzmann se utiliza para realizar cálculos en las supercomputadoras más grandes del mundo para estudiar el comportamiento de los átomos, moléculas, y la "sopa" de quarks descubierta utilizando instalaciones como el Colisionador de Iones Pesados ​​Relativista ubicado en Brookhaven Lab y el Gran Colisionador de Hadrones en el CERN.

Si bien fue necesario un cambio radical para demostrar que Boltzmann tenía razón, los científicos de la computación están ahora al borde de una nueva ola informática, dando el salto de supercomputadoras y bytes a sistemas cuánticos y bits cuánticos (o "qubits"). Estas computadoras cuánticas tienen el potencial de desbloquear algunos de los conceptos más misteriosos de la física. Y, extrañamente, estos supuestos misterios pueden parecer un poco familiares para muchos.

El tiempo y la temperatura le son presentados por ...

Aunque la mayoría de las personas conocen bien las nociones de tiempo y temperatura y las controlan varias veces al día, resulta que estos conceptos básicos siguen siendo enigmáticos en física.

El factor de Boltzmann ayuda a modelar los efectos de la temperatura que se pueden utilizar para predecir y controlar el comportamiento atómico y las propiedades físicas, y funcionan muy bien en computadoras clásicas. Sin embargo, en una computadora cuántica, las puertas lógicas cuánticas utilizadas en el cálculo (similares a las puertas lógicas que se encuentran en los circuitos digitales) están representadas por números complejos, a diferencia del factor de Boltzmann, que por definición, es real.

Este problema ofreció a McGuigan y su estudiante / coautor Raffaele Miceli un problema interesante para abordar utilizando un banco de pruebas de computación cuántica proporcionado por medio del acuerdo de acceso de Brookhaven Lab a los sistemas de computación cuántica universal de IBM. a través del IBM Q Hub en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge. La colaboración permite a Brookhaven (entre otros en red) acceder a los sistemas cuánticos comerciales de IBM, incluyendo sistemas de 20 y 53 qubits para experimentos.

"En una computadora cuántica, hay otra forma de simular la temperatura finita llamada dinámica de campo térmico, que es capaz de calcular cantidades que dependen tanto del tiempo como de la temperatura, "McGuigan explicó." En este formalismo, construyes un doble del sistema, llamado el termo doble, luego proceda con el cálculo en una computadora cuántica, ya que el cálculo se puede representar en términos de puertas lógicas cuánticas con números complejos.

"En el final, puede sumar los estados dobles y generar un factor de Boltzmann efectivo para cálculos a temperatura finita, ", continuó." También hay ciertas ventajas del formalismo. Por ejemplo, Puede estudiar los efectos de la temperatura finita y cómo evoluciona el sistema en tiempo real a medida que el tiempo y la temperatura se separan utilizando este algoritmo cuántico. Una desventaja es que requiere el doble de qubits que un cálculo de temperatura cero para manejar los estados dobles ".

Miceli y McGuigan demostraron cómo implementar el algoritmo cuántico para la dinámica del campo térmico para temperaturas finitas en un sistema simple que involucra unas pocas partículas y encontraron una concordancia perfecta con el cálculo clásico.

Su trabajo utilizó recursos de la computación clásica y cuántica. Según McGuigan, utilizaron el software de computación cuántica de código abierto Qiskit que les permitió crear su algoritmo en la nube. Qiskit luego transpiró ese código a pulsos que se comunican con una computadora cuántica en tiempo real (en este caso, un dispositivo IBM Q). Los optimizadores que ejecutan algoritmos clásicos permiten además el intercambio entre los sistemas tradicionales y cuánticos.

“Nuestro experimento muestra que los sistemas cuánticos tienen la ventaja de representar cálculos en tiempo real de manera exacta en lugar de rotar del tiempo imaginario al tiempo real para encontrar un resultado, ", Explicó McGuigan." Ofrece una imagen más real de cómo evoluciona un sistema. Podemos asignar el problema a una simulación cuántica que le permite evolucionar ".

En el cosmos

La cosmología cuántica es otra área en la que McGuigan anticipa que las nuevas opciones de computación cuántica tendrán un impacto profundo. A pesar de la multitud de avances en la comprensión del universo que han sido posibles gracias a las supercomputadoras modernas, algunos sistemas físicos quedan fuera de su alcance. La complejidad matemática, que generalmente incluye la contabilidad de la teoría de la gravedad cuántica completa, es simplemente demasiado grande para obtener soluciones exactas. Sin embargo, una verdadera computadora cuántica, completo con la capacidad de explotar el entrelazamiento y la superposición, ampliaría las opciones para nuevos, algoritmos más precisos.

"Los sistemas cuánticos pueden realizar integrales de ruta en tiempo real, dándonos acceso a simulaciones a gran escala del universo, "Puede visualizar la función de onda calculada del universo a medida que evoluciona hacia adelante, sin formular primero una teoría completa de la gravedad cuántica", dijo McGuigan.

De nuevo, utilizando el paquete Qiskit y acceso al hardware IBM Q, McGuigan y su colaborador Charles Kocher, estudiante de la Universidad de Brown, empleó una combinación de métodos computacionales clásicos y VQE para ejecutar experimentos variados, incluido uno que examinó sistemas con gravedad acoplada a un campo de bosones llamado inflatón, una partícula hipotética que juega un papel importante en la cosmología moderna. Su trabajo mostró que el VQE híbrido produjo funciones de onda consistentes con la ecuación de Wheeler-Dewitt, que combina matemáticamente la mecánica cuántica con la teoría de la relatividad de Albert Einstein.

Inspiración en una escala en expansión

Si bien los primeros experimentos cuánticos están conduciendo a diferentes perspectivas de los conceptos básicos detrás de la física, Se espera que la computación cuántica contribuya con avances importantes para resolver problemas de larga data que afectan las misiones del DOE. Entre ellos, puede ser una herramienta para descubrir nuevos materiales, resolviendo desafíos energéticos, o agregar conocimientos fundamentales (como el tiempo y la temperatura) en física y cosmología de altas energías. Sucesivamente, estos cambios podrían caer en cascada en áreas más fácilmente reconocibles.

Por ejemplo, Los desarrolladores de fármacos necesitan una mecánica cuántica más desarrollada para comprender la estructura de las moléculas. Las computadoras cuánticas pueden permitir descubrimientos al proporcionar simulaciones de la mecánica cuántica completa que proporcionarían un punto de vista verdaderamente práctico.

"Parece que siempre hay interés en los conceptos básicos de la física, "Dijo McGuigan." Ha sido de interés para el público durante milenios. Ahora, la combinación de experiencia teórica y tecnología real está convergiendo con la computación cuántica. Todavía, todavía es un esfuerzo muy humano ".

Por ahora, El uso de computadoras cuánticas a corto plazo para resolver pequeños problemas de campos térmicos o para dar una nueva mirada a un universo antiguo está inspirando a los investigadores a escalar sus algoritmos a medida que hacen cosas más importantes en la ciencia.

"Nos envalentona hacer cosas diferentes. Todos lo hacemos, "Dijo McGuigan." Otros grupos alrededor del mundo, como el Perimeter Institute en Canadá y la Universiteit van Amsterdam en los Países Bajos, ya están ampliando el algoritmo cuántico doble de campo térmico a sistemas aún más grandes. Con la aparición de grandes computadoras cuánticas a corto plazo de 50-100 qubits, el objetivo es ejecutar simulaciones de temperaturas finitas en sistemas realistas que involucran muchas partículas. Es emocionante tener una computadora cuántica real para probar estas ideas y problemas para los que antes no teníamos soluciones. Mecánica cuántica sin concesiones:de eso se trata la ciencia ".