Un equipo de teóricos cuánticos que buscaba curar un problema básico con las computadoras de recocido cuántico (tienen que funcionar a un ritmo relativamente lento para funcionar correctamente) encontró algo intrigante en su lugar. Al sondear cómo funcionan los recocidos cuánticos cuando se operan más rápido de lo deseado, El equipo descubrió inesperadamente un nuevo efecto que puede explicar la distribución desequilibrada de materia y antimateria en el universo y un enfoque novedoso para separar isótopos.

"Aunque nuestro descubrimiento no solucionó la restricción del tiempo de recocido, trajo una clase de nuevos problemas de física que ahora se pueden estudiar con atemperadores cuánticos sin requerir que sean demasiado lentos, "dijo Nikolai Sinitsyn, físico teórico del Laboratorio Nacional de Los Alamos. Sinitsyn es autor del artículo publicado el 19 de febrero en Cartas de revisión física , con los coautores Bin Yan y Wojciech Zurek, ambos también de Los Alamos, y Vladimir Chernyak de la Universidad Estatal de Wayne.

Significativamente, este hallazgo sugiere cómo al menos dos famosos problemas científicos pueden resolverse en el futuro. El primero es la aparente asimetría entre materia y antimateria en el universo.

"Creemos que pequeñas modificaciones a experimentos recientes con recocido cuántico de qubits interactuantes hechos de átomos ultrafríos a través de las transiciones de fase serán suficientes para demostrar nuestro efecto, "Dijo Sinitsyn.

Explicando la discrepancia materia / antimateria

Tanto la materia como la antimateria resultaron de las excitaciones energéticas que se produjeron en el nacimiento del universo. La simetría entre cómo interactúan la materia y la antimateria se rompió, pero muy débilmente. Todavía no está del todo claro cómo esta sutil diferencia podría conducir a la gran dominación observada de la materia en comparación con la antimateria a escala cosmológica.

El efecto recién descubierto demuestra que tal asimetría es físicamente posible. Sucede cuando un gran sistema cuántico pasa por una transición de fase, es decir, una reordenación muy aguda del estado cuántico. En tales circunstancias, interacciones fuertes pero simétricas se compensan aproximadamente entre sí. Entonces sutil las diferencias persistentes pueden jugar un papel decisivo.

Hacer que los recocidos cuánticos sean lo suficientemente lentos

Las computadoras de recocido cuántico están diseñadas para resolver problemas complejos de optimización mediante la asociación de variables con estados cuánticos o qubits. A diferencia de los bits binarios de una computadora clásica, que solo puede estar en un estado, o valor, de 0 o 1, los qubits pueden estar en una superposición cuántica de valores intermedios. Ahí es donde todas las computadoras cuánticas obtienen su asombroso, si todavía está en gran parte sin explotar, potestades.

En una computadora de recocido cuántico, los qubits se preparan inicialmente en un estado simple de energía más baja aplicando un fuerte campo magnético externo. A continuación, este campo se apaga lentamente, mientras que las interacciones entre los qubits se activan lentamente.

"Idealmente, un annealer funciona lo suficientemente lento como para funcionar con errores mínimos, pero debido a la decoherencia, hay que hacer funcionar el recocido más rápido, "Yan explicó. El equipo estudió el efecto emergente cuando los recocidos se operan a una velocidad más rápida, lo que los limita a un tiempo de operación finito.

"Según el teorema adiabático de la mecánica cuántica, si todos los cambios son muy lentos, los llamados adiabáticamente lentos, entonces los qubits deben permanecer siempre en su estado de energía más bajo, "Sinitsyn dijo." Por lo tanto, cuando finalmente los medimos, encontramos la configuración deseada de 0 y 1 que minimiza la función de interés, lo cual sería imposible de conseguir con una computadora clásica moderna ".

Cojeando por la decoherencia

Sin embargo, recocidos cuánticos actualmente disponibles, como todas las computadoras cuánticas hasta ahora, se ven obstaculizados por las interacciones de sus qubits con el entorno circundante, que causa la decoherencia. Esas interacciones restringen el comportamiento puramente cuántico de los qubits a aproximadamente una millonésima de segundo. En ese período de tiempo, Los cálculos tienen que ser rápidos (no adiabáticos) y las excitaciones de energía no deseadas alteran el estado cuántico, introduciendo inevitables errores computacionales.

La teoría de Kibble-Zurek, co-desarrollado por Wojciech Zurek, predice que la mayoría de los errores ocurren cuando los qubits encuentran una transición de fase, es decir, una reordenación muy aguda de su estado cuántico colectivo.

Para este papel, el equipo estudió un modelo solucionable conocido en el que los qubits idénticos interactúan solo con sus vecinos a lo largo de una cadena; el modelo verifica analíticamente la teoría de Kibble-Zurek. En la búsqueda de los teóricos para curar el tiempo de operación limitado en las computadoras de recocido cuántico, aumentaron la complejidad de ese modelo asumiendo que los qubits podrían dividirse en dos grupos con interacciones idénticas dentro de cada grupo, pero interacciones ligeramente diferentes para los qubits de los diferentes grupos.

En tal mezcla, descubrieron un efecto inusual:un grupo todavía producía una gran cantidad de excitaciones de energía durante el paso a través de una transición de fase, pero el otro grupo permaneció en el mínimo de energía como si el sistema no experimentara una transición de fase en absoluto.

"El modelo que usamos es muy simétrico para poder resolverlo, y encontramos una forma de ampliar el modelo, rompiendo esta simetría y aún resolviéndola, "Sinitsyn explicó." Luego descubrimos que la teoría Kibble-Zurek sobrevivió pero con un giro:la mitad de los qubits no disiparon energía y se comportaron 'bien'. En otras palabras, mantuvieron sus estados fundamentales ".

Desafortunadamente, la otra mitad de los qubits produjo muchos errores computacionales; por lo tanto, no hay cura hasta ahora para un paso a través de una transición de fase en las computadoras de recocido cuántico.

Una nueva forma de separar isótopos

Otro problema de larga data que puede beneficiarse de este efecto es la separación de isótopos. Por ejemplo, El uranio natural a menudo debe separarse en isótopos enriquecidos y empobrecidos, por lo que el uranio enriquecido se puede utilizar con fines de energía nuclear o de seguridad nacional. El proceso de separación actual es costoso y consume mucha energía. El efecto descubierto significa que al hacer que una mezcla de átomos ultrafríos interactuando pasen dinámicamente a través de una transición de fase cuántica, diferentes isótopos pueden excitarse selectivamente o no y luego separarse usando la técnica de deflexión magnética disponible.