El entrelazamiento es una forma de correlación entre objetos cuánticos, como partículas a escala atómica. Las leyes de la física clásica no pueden explicar este fenómeno exclusivamente cuántico, pero es una de las propiedades que explican el comportamiento macroscópico de los sistemas cuánticos.
Debido a que el entrelazamiento es fundamental para la forma en que funcionan los sistemas cuánticos, comprenderlo mejor podría brindar a los científicos una idea más profunda de cómo se almacena y procesa la información de manera eficiente en dichos sistemas.
Los qubits, o bits cuánticos, son los componentes básicos de una computadora cuántica. Sin embargo, es extremadamente difícil crear estados entrelazados específicos en sistemas de muchos qubits, y mucho menos investigarlos. También hay una variedad de estados entrelazados y distinguirlos puede ser un desafío.
Ahora, los investigadores del MIT han demostrado una técnica para generar entrelazamiento de manera eficiente entre una serie de qubits superconductores que exhiben un tipo específico de comportamiento.
A lo largo de los últimos años, los investigadores del grupo de Ingeniería de Sistemas Cuánticos (EQuS) han desarrollado técnicas utilizando tecnología de microondas para controlar con precisión un procesador cuántico compuesto por circuitos superconductores. Además de estas técnicas de control, los métodos introducidos en este trabajo permiten al procesador generar eficientemente estados altamente entrelazados y cambiar esos estados de un tipo de entrelazamiento a otro, incluso entre tipos que tienen más probabilidades de soportar la aceleración cuántica y aquellos que no lo son.
"Aquí estamos demostrando que podemos utilizar los procesadores cuánticos emergentes como una herramienta para mejorar nuestra comprensión de la física. Si bien todo lo que hicimos en este experimento fue en una escala que aún se puede simular en una computadora clásica, tenemos una buena hoja de ruta. para escalar esta tecnología y metodología más allá del alcance de la informática clásica", dice Amir H. Karamlou '18, MEng '18, Ph.D. '23, el autor principal del artículo.
La investigación aparece en Nature .
En un gran sistema cuántico que comprende muchos qubits interconectados, se puede pensar en el entrelazamiento como la cantidad de información cuántica compartida entre un determinado subsistema de qubits y el resto del sistema más grande.
El entrelazamiento dentro de un sistema cuántico se puede clasificar como ley de área o ley de volumen en función de cómo esta información compartida escala con la geometría de los subsistemas. En el entrelazamiento por ley de volumen, la cantidad de entrelazamiento entre un subsistema de qubits y el resto del sistema crece proporcionalmente con el tamaño total del subsistema.
Por otro lado, el entrelazamiento de leyes de área depende de cuántas conexiones compartidas existen entre un subsistema de qubits y el sistema más grande. A medida que el subsistema se expande, la cantidad de entrelazamiento solo crece a lo largo del límite entre el subsistema y el sistema más grande.
En teoría, la formación del entrelazamiento de la ley del volumen está relacionada con lo que hace que la computación cuántica sea tan poderosa.
"Aunque todavía no hemos abstraído completamente el papel que desempeña el entrelazamiento en los algoritmos cuánticos, sí sabemos que generar entrelazamiento según la ley del volumen es un ingrediente clave para lograr una ventaja cuántica", afirma Oliver.
Sin embargo, el entrelazamiento de la ley del volumen también es más complejo que el entrelazamiento de la ley del área y prácticamente prohibitivo a escala para simularlo usando una computadora clásica.
"A medida que aumenta la complejidad de su sistema cuántico, se vuelve cada vez más difícil simularlo con computadoras convencionales. Si estoy tratando de realizar un seguimiento completo de un sistema con 80 qubits, por ejemplo, entonces necesitaría almacenar más información de la que hemos almacenado a lo largo de la historia de la humanidad", afirma Karamlou.
Los investigadores crearon un procesador cuántico y un protocolo de control que les permitió generar y probar ambos tipos de entrelazamiento de manera eficiente.
Su procesador comprende circuitos superconductores, que se utilizan para diseñar átomos artificiales. Los átomos artificiales se utilizan como qubits, que pueden controlarse y leerse con gran precisión mediante señales de microondas.
El dispositivo utilizado para este experimento contenía 16 qubits dispuestos en una cuadrícula bidimensional. Los investigadores ajustaron cuidadosamente el procesador para que los 16 qubits tuvieran la misma frecuencia de transición. Luego, aplicaron una unidad de microondas adicional a todos los qubits simultáneamente.
Si este motor de microondas tiene la misma frecuencia que los qubits, genera estados cuánticos que exhiben un entrelazamiento de leyes de volumen. Sin embargo, a medida que la frecuencia de microondas aumenta o disminuye, los qubits exhiben menos entrelazamiento de ley de volumen, y eventualmente pasan a estados entrelazados que siguen cada vez más una escala de ley de área.
"Nuestro experimento es un tour de force de las capacidades de los procesadores cuánticos superconductores. En un experimento, operamos el procesador como un dispositivo de simulación analógico, lo que nos permitió preparar estados con diferentes estructuras de entrelazamiento de manera eficiente, y como un dispositivo informático digital, necesario para medir la consiguiente escala de entrelazamiento", afirma Rosen.
Para permitir ese control, el equipo dedicó años de trabajo a construir cuidadosamente la infraestructura alrededor del procesador cuántico.
Al demostrar el cruce de la ley del volumen al entrelazamiento de la ley del área, los investigadores confirmaron experimentalmente lo que los estudios teóricos habían predicho. Más importante aún, este método se puede utilizar para determinar si el entrelazamiento en un procesador cuántico genérico es ley de área o ley de volumen.
"El experimento del MIT subraya la distinción entre el entrelazamiento de ley de área y de ley de volumen en simulaciones cuánticas bidimensionales utilizando qubits superconductores. Esto complementa maravillosamente nuestro trabajo sobre la tomografía hamiltoniana de entrelazamiento con iones atrapados en una publicación paralela publicada en Nature en 2023", afirma Peter Zoller, profesor de física teórica en la Universidad de Innsbruck, que no participó en este trabajo.
"Cuantificar el entrelazamiento en grandes sistemas cuánticos es una tarea desafiante para las computadoras clásicas, pero es un buen ejemplo de dónde podría ayudar la simulación cuántica", dice Pedram Roushan de Google, quien tampoco participó en el estudio.
"Utilizando una matriz 2D de qubits superconductores, Karamlou y sus colegas pudieron medir la entropía de entrelazamiento de varios subsistemas de varios tamaños. Miden las contribuciones de la ley de volumen y de área a la entropía, revelando el comportamiento cruzado a medida que se sintoniza la energía del estado cuántico del sistema. "Demuestra poderosamente los conocimientos únicos que pueden ofrecer los simuladores cuánticos".
En el futuro, los científicos podrían utilizar esta técnica para estudiar el comportamiento termodinámico de sistemas cuánticos complejos, que es demasiado complejo para estudiarlo utilizando los métodos analíticos actuales y prácticamente prohibitivo de simular incluso en las supercomputadoras más potentes del mundo.
"Los experimentos que hicimos en este trabajo pueden usarse para caracterizar o comparar sistemas cuánticos a mayor escala, y también podemos aprender algo más sobre la naturaleza del entrelazamiento en estos sistemas de muchos cuerpos", dice Karamlou.
Más información: Amir Karamlou, Sondeando el entrelazamiento en una red 2D de núcleo duro Bose-Hubbard, Naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07325-z. www.nature.com/articles/s41586-024-07325-z
Información de la revista: Naturaleza
Proporcionado por el Instituto de Tecnología de Massachusetts
Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre investigación, innovación y enseñanza del MIT.
