Usando una computadora de recocido cuántico D-Wave como banco de pruebas, Los científicos del Laboratorio Nacional de Los Alamos han demostrado que es posible aislar los llamados monopolos magnéticos emergentes, una clase de cuasipartículas, creando un nuevo enfoque para desarrollar "materiales por diseño".

"Queríamos estudiar los monopolos magnéticos emergentes mediante la explotación de la dinámica colectiva de los qubits, "dijo Cristiano Nisoli, autor principal del estudio en Los Alamos. "Monopolos magnéticos, como partículas elementales con un solo polo magnético, han sido hipotetizados por muchos, y famoso por Dirac, pero han resultado esquivos hasta ahora ".

Se dieron cuenta de un hielo de espín artificial utilizando los qubits superconductores de la máquina cuántica como un bloque de construcción magnético. La generación de materiales magnéticos con propiedades exóticas de esta manera es innovadora en muchos sentidos. Su proceso utilizó la ley de Gauss para atrapar monopolos, permitiendo a los científicos observar su dinámica cuántica activada y su interacción mutua. Este trabajo demuestra sin ambigüedades que los monopolos magnéticos no solo pueden emerger de una estructura de espín subyacente, pero se puede controlar, aislado y estudiado con precisión.

“Se demostró en la última década que los monopolos pueden emerger como cuasipartículas para describir los hielos de espín de excitación de varias geometrías. La instalación de campo pulsado del Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético aquí en Los Alamos pudo 'escuchar' el ruido monopolo en hielos de espín artificial. Y ahora, utilizando un sistema de recocido cuántico D-Wave, tenemos suficiente control para atrapar una o más de estas partículas y estudiarlas individualmente. Los vimos caminando ser inmovilizado, y ser creado y aniquilado en pares de cargas magnéticas opuestas. Y así podríamos confirmar nuestras predicciones teóricas cuantitativas, que interactúan y, de hecho, se examinan entre sí, "dijo Nisoli.

"Los procesadores de D-Wave están diseñados para sobresalir en optimización, pero también se pueden utilizar como simuladores cuánticos. Programando las interacciones deseadas de nuestro material magnético en los qubits de D-Wave, podemos realizar experimentos que de otro modo serían extremadamente difíciles, "dijo Andrew King, director de Performance Research en D-Wave y autor del artículo. "Esta colaboración, El trabajo de prueba de principio demuestra nuevas capacidades experimentales, mejorar la potencia y la versatilidad de los estudios de hielo de espín artificial. La capacidad de manipular cuasipartículas emergentes mediante programación puede convertirse en un aspecto clave para la ingeniería de materiales e incluso la computación cuántica topológica; esperamos que sea fundamental para futuras investigaciones ".

Nisoli agregado, "Solo hemos arañado la superficie de este enfoque. Los sistemas de hielo de giro artificial anteriores se realizaron con nanoimanes, y obedecieron a la física clásica. En cambio, esta realización es completamente cuántica. Para evitar saltos, nos hemos concentrado hasta ahora en un estudio cuasi-clásico, pero en el futuro realmente podemos aumentar esas fluctuaciones cuánticas, e investigar problemas muy actuales de decoherencia, memoria, información cuántica, y orden topológico, con importantes implicaciones tecnológicas ".

"Estos resultados también tienen consecuencias tecnológicas particularmente relevantes para DOE y Los Alamos, específicamente en la idea de materiales por diseño, para producir futuros nanoimanes que puedan mostrar una funcionalidad avanzada y deseable para la detección y la computación. Monopolos como portadores de información binaria, puede ser relevante para la espintrónica. También contribuyen significativamente a las inversiones de Los Alamos D-Wave, "señaló Alejandro López-Bezanilla de Los Alamos, que trabaja en el procesador D-Wave y ensambló el equipo.

Nisoli, es más, sugiere que, además de aplicaciones fructíferas, Estos resultados quizás también podrían proporcionar alimento para el pensamiento de la física fundamental. "Nuestras teorías fundamentales de las partículas son modelos parametrizados. Uno se pregunta:¿qué es una partícula? Mostramos aquí experimentalmente que no solo las partículas, sino también sus interacciones de largo alcance pueden ser una -descripción de nivel de una estructura subyacente muy simple, uno solo acoplado a los vecinos más cercanos. ¿Podrían incluso las partículas e interacciones 'reales' que consideramos fundamentales, como leptones y quarks, en su lugar, ser interpretado como emergente, descripción de nivel superior de un sustrato binario de nivel inferior más complejo, como nuestros monopolos que emergen de un montón de qubits? "