A primera vista, un sistema que consta de 51 iones puede parecer fácilmente manejable. Pero incluso si estos átomos cargados solo cambian entre dos estados, el resultado es más de dos billones (10 ¹⁵ ) diferentes ordenamientos que puede asumir el sistema.

El comportamiento de tal sistema es casi imposible de calcular con computadoras convencionales, especialmente porque una excitación introducida en el sistema puede propagarse de manera errática. La excitación sigue un patrón estadístico denominado Lévy Flight.

Una característica de tales movimientos es que, además de los saltos más pequeños que se esperan, también tienen lugar saltos significativamente más grandes. Este fenómeno también se puede observar en los vuelos de las abejas y en los inusuales movimientos feroces de la bolsa.

Simulación de la dinámica cuántica:tradicionalmente una tarea difícil

Si bien simular la dinámica de un sistema cuántico complejo es una tarea muy difícil incluso para las supercomputadoras tradicionales, la tarea es un juego de niños para los simuladores cuánticos. Pero, ¿cómo se pueden verificar los resultados de un simulador cuántico sin la capacidad de realizar los mismos cálculos que él?

La observación de los sistemas cuánticos indicó que podría ser posible representar al menos el comportamiento a largo plazo de dichos sistemas con ecuaciones como las que desarrollaron los hermanos Bernoulli en el siglo XVIII para describir el comportamiento de los fluidos.

Para probar esta hipótesis, los autores de un estudio publicado en Science utilizó un sistema cuántico que simula la dinámica de los imanes cuánticos. Pudieron usarlo para demostrar que, después de una fase inicial dominada por los efectos de la mecánica cuántica, el sistema podía en realidad describirse con ecuaciones del tipo familiar de la dinámica de fluidos.

Además, demostraron que las mismas estadísticas de Lévy Flight que describen las estrategias de búsqueda utilizadas por las abejas también se aplican a los procesos dinámicos de fluidos en los sistemas cuánticos.

Iones capturados como plataforma para simulaciones cuánticas controladas

El simulador cuántico se construyó en el Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica (IQOQI) de la Academia de Ciencias de Austria en el campus de la Universidad de Innsbruck. "Nuestro sistema simula efectivamente un imán cuántico al representar los polos norte y sur de un imán molecular utilizando dos niveles de energía de los iones", dice Manoj Joshi, científico de IQOQI Innsbruck.

"Nuestro mayor avance técnico fue el hecho de que logramos abordar individualmente cada uno de los 51 iones", observa Manoj Joshi. "Como resultado, pudimos investigar la dinámica de cualquier número deseado de estados iniciales, lo cual fue necesario para ilustrar el surgimiento de la dinámica de fluidos".

"Si bien la cantidad de qubits y la estabilidad de los estados cuánticos son actualmente muy limitadas, hay preguntas para las que ya podemos usar la enorme potencia informática de los simuladores cuánticos en la actualidad", dice Michael Knap, profesor de Dinámica cuántica colectiva en la Universidad Técnica. de Múnich.

"En un futuro cercano, los simuladores cuánticos y las computadoras cuánticas serán plataformas ideales para investigar la dinámica de los sistemas cuánticos complejos", explica Michael Knap. "Ahora sabemos que después de un cierto punto en el tiempo, estos sistemas siguen las leyes de la dinámica de fluidos clásica. Cualquier desviación fuerte de eso es una indicación de que el simulador no está funcionando correctamente". + Explora más

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