Nuestro mundo físico en 3D consta de sólo dos tipos de partículas:bosones, que incluyen la luz y el famoso bosón de Higgs; y fermiones:los protones, neutrones y electrones que componen todas las "materiales", incluida la presente compañía.
Sin embargo, a los físicos teóricos como Ashvin Vishwanath, profesor de Física George Vasmer Leverett de Harvard, no les gusta limitarse sólo a nuestro mundo. En un entorno 2D, por ejemplo, serían posibles todo tipo de nuevas partículas y estados de la materia.
El equipo de Vishwanath utilizó una poderosa máquina llamada procesador cuántico para crear, por primera vez, una nueva fase de la materia llamada orden topológico no abeliano. Anteriormente reconocido sólo en teoría, el equipo demostró la síntesis y el control de partículas exóticas llamadas anyones no abelianos, que no son ni bosones ni fermiones, sino algo intermedio.
Sus resultados se publican en Nature en colaboración con investigadores de la empresa de computación cuántica Quantinuum. El equipo de Vishwanath incluía al ex estudiante de la Escuela de Graduados en Artes y Ciencias Kenneth C. Griffin de Harvard, Nat Tantivasadakarn '22, ahora en Caltech, y al becario postdoctoral Ruben Verresen.
Los anyons no abelianos, conocidos por los físicos como cuasipartículas, sólo son matemáticamente posibles en un plano 2D. El calificativo "cuasi" se refiere al hecho de que no son exactamente partículas, sino excitaciones de larga duración a través de una fase específica de la materia (piense en las olas del océano) y tienen capacidades especiales de transporte de memoria.
Además del hecho de que crear una nueva fase de la materia es una física fundamental apasionante, los anyons no abelianos han sido ampliamente reconocidos como una plataforma potencial para la computación cuántica, lo que confiere aún más importancia al logro de la investigación.
Los anyons no abelianos son intrínsecamente estables, a diferencia de los bits cuánticos, o qubits, endebles y propensos a errores, de otras plataformas de computación cuántica. Pueden "recordar" su pasado mientras se mueven unos alrededor de otros, como un mago barajando vasos con bolas escondidas. Esta propiedad es también lo que los hace topológicos, es decir, capaces de doblarse y torcerse sin perder su identidad central.
Por todas estas razones, los anyons no abelianos podrían algún día crear qubits ideales (unidades de poder computacional que se extienden mucho más allá de las computadoras clásicas de hoy) si se pueden crear y controlar a escalas mayores.
"Una ruta muy prometedora hacia la computación cuántica estable es utilizar este tipo de estados exóticos de la materia como bits cuánticos efectivos y realizar cálculos cuánticos con ellos", dijo Tantivasadakarn. "Entonces se han mitigado en gran medida los problemas de ruido."
Los investigadores emplearon cierta creatividad obstinada para darse cuenta del estado exótico de su materia. Maximizando las capacidades del procesador H2 más nuevo de Quantinuum, el equipo comenzó con una red de 27 iones atrapados. Utilizaron mediciones parciales y específicas para aumentar secuencialmente la complejidad de su sistema cuántico, y terminaron efectivamente con una función de onda cuántica diseñada con las propiedades y características exactas de las partículas que buscaban.
"La medición es el aspecto más misterioso de la mecánica cuántica y da lugar a famosas paradojas, como la del gato de Schrödinger, y a numerosos debates filosóficos", afirmó Vishwanath. "Aquí utilizamos las mediciones como herramienta para esculpir el estado cuántico de interés."
Como teórico, Vishwanath valora la capacidad de alternar entre diferentes ideas y aplicaciones de la física sin estar atado a una plataforma o tecnología. Pero en el contexto de este trabajo, se maravilla al poder no sólo explorar una teoría, sino demostrarla, particularmente ahora que el campo de la mecánica cuántica entra en su centenario.
"Al menos para mí, fue simplemente sorprendente que todo funcione y que podamos hacer algo muy concreto", dijo Vishwanath. "Realmente conecta muchos aspectos diferentes de la física a lo largo de los años, desde la mecánica cuántica fundamental hasta ideas más recientes sobre estos nuevos tipos de partículas".
Más información: Mohsin Iqbal et al, Orden topológico no abeliano y cualquiera en un procesador de iones atrapados, Naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06934-4
Información de la revista: Naturaleza
Proporcionado por Harvard Gazette
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