Investigadores de la Universidad de Innsbruck han desarrollado un método para hacer medibles propiedades que antes eran difícilmente accesibles en sistemas cuánticos. El nuevo método para determinar el estado cuántico en simuladores cuánticos reduce el número de medidas necesarias y hace que el trabajo con simuladores cuánticos sea mucho más eficiente.

En unos años, una nueva generación de simuladores cuánticos podría proporcionar conocimientos que no serían posibles utilizando simulaciones en supercomputadoras convencionales. Los simuladores cuánticos son capaces de procesar una gran cantidad de información, ya que superponen mecánicamente cuánticamente una enorme cantidad de estados de bits. Por esta razón, sin embargo, también resulta difícil leer esta información en el simulador cuántico. Para poder reconstruir el estado cuántico, es necesaria una gran cantidad de mediciones individuales. El método utilizado para leer el estado cuántico de un simulador cuántico se llama tomografía de estado cuántico.

"Cada medición proporciona una 'imagen de sección transversal' del estado cuántico. Luego, juntas estas imágenes de sección transversal para formar el estado cuántico completo, "explica el físico teórico Christian Kokail del equipo de Peter Zoller en el Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica de la Academia de Ciencias de Austria y el Departamento de Física Experimental de la Universidad de Innsbruck. El número de mediciones necesarias en el laboratorio aumenta muy rápidamente con el tamaño del sistema ". El número de mediciones crece exponencialmente con el número de qubits, ", dice el físico. Los investigadores de Innsbruck ahora han logrado desarrollar un método mucho más eficiente para los simuladores cuánticos.

Método eficiente que ofrece nuevos conocimientos

Los conocimientos de la teoría cuántica de campos permiten que la tomografía de estado cuántico sea mucho más eficiente, es decir., a realizar con un número significativamente menor de mediciones. “Lo fascinante es que desde el principio no quedó nada claro que las predicciones de la teoría cuántica de campos pudieran aplicarse a nuestros experimentos de simulación cuántica, ", dice el físico teórico Rick van Bijnen." El estudio de artículos científicos más antiguos de este campo nos llevó por este camino ". La teoría cuántica de campos proporciona el marco básico del estado cuántico en el simulador cuántico. Entonces solo se necesitan unas pocas mediciones para encajar los detalles en este marco básico.

Basado en esto, Los investigadores de Innsbruck han desarrollado un protocolo de medición mediante el cual la tomografía del estado cuántico se hace posible con un número drásticamente reducido de mediciones. Al mismo tiempo, el nuevo método permite obtener nuevos conocimientos sobre la estructura del estado cuántico. Los físicos probaron el nuevo método con datos experimentales de un simulador cuántico de trampa de iones del grupo de investigación de Innsbruck dirigido por Rainer Blatt y Christian Roos. "En el proceso, ahora pudimos medir propiedades del estado cuántico que antes no eran observables en esta cualidad, "Cuenta Kokail.

Verificación del resultado

Un protocolo de verificación desarrollado por el grupo junto con Andreas Elben y Benoit Vermersch hace dos años se puede utilizar para comprobar si la estructura del estado cuántico realmente coincide con las expectativas de la teoría cuántica de campos. "Podemos utilizar más mediciones aleatorias para comprobar si el marco básico para la tomografía que desarrollamos basándonos en la teoría realmente se ajusta o es completamente incorrecto". "explica Christian Kokail.

El protocolo levanta una bandera roja si el marco no encaja. Por supuesto, esto también sería un hallazgo interesante para los físicos, porque posiblemente proporcionaría pistas para la relación aún no completamente entendida con la teoría cuántica de campos. En este momento, los físicos que rodean a Peter Zoller están desarrollando protocolos cuánticos en los que el marco básico del estado cuántico no se almacena en una computadora clásica, pero se realiza directamente en el simulador cuántico.

El estudio se publica en Física de la naturaleza .