El entrelazamiento es un fenómeno cuántico en el que las propiedades de dos o más partículas se interconectan de tal manera que ya no se puede asignar un estado definido a cada partícula individual. Más bien, tenemos que considerar todas las partículas a la vez que comparten un determinado estado. El entrelazamiento de las partículas determina en última instancia las propiedades de un material.
"El entrelazamiento de muchas partículas es la característica que marca la diferencia", afirma Christian Kokail, uno de los primeros autores del artículo publicado en Nature. . "Al mismo tiempo, sin embargo, es muy difícil determinarlo."
Los investigadores dirigidos por Peter Zoller de la Universidad de Innsbruck y el Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica (IQOQI) de la Academia Austriaca de Ciencias (ÖAW) proporcionan ahora un nuevo enfoque que puede mejorar significativamente el estudio y la comprensión del entrelazamiento en materiales cuánticos. .
Para describir grandes sistemas cuánticos y extraer de ellos información sobre el entrelazamiento existente, sería ingenuamente necesario realizar un número increíblemente grande de mediciones. "Hemos desarrollado una descripción más eficaz que nos permite extraer información sobre el entrelazamiento del sistema con un número de mediciones drásticamente menor", explica el físico teórico Rick van Bijnen.
En un simulador cuántico de trampa de iones con 51 partículas, los científicos han imitado un material real recreándolo partícula por partícula y estudiándolo en un entorno de laboratorio controlado. Muy pocos grupos de investigación en todo el mundo tienen el control necesario de tantas partículas como los físicos experimentales de Innsbruck, dirigidos por Christian Roos y Rainer Blatt.
"El principal desafío técnico al que nos enfrentamos aquí es cómo mantener bajas tasas de error mientras controlamos 51 iones atrapados en nuestra trampa y garantizamos la viabilidad del control y la lectura de qubits individuales", explica el experimentador Manoj Joshi.
En el experimento, los científicos presenciaron por primera vez efectos que hasta ahora sólo se habían descrito teóricamente. "Aquí hemos combinado conocimientos y métodos que hemos trabajado juntos minuciosamente durante los últimos años. Es impresionante ver que se pueden hacer estas cosas con los recursos disponibles hoy", dice Kokail, quien recientemente se unió al Instituto de Teórica Atómica Molecular y Física Óptica en Harvard.
En un material cuántico, las partículas pueden estar más o menos fuertemente entrelazadas. Las mediciones en una partícula fuertemente entrelazada sólo arrojan resultados aleatorios. Si los resultados de las mediciones varían mucho, es decir, si son puramente aleatorios, los científicos lo llaman "caliente". Si la probabilidad de un determinado resultado aumenta, se trata de un objeto cuántico "frío". Sólo la medición de todos los objetos enredados revela el estado exacto.
En sistemas formados por muchas partículas, el esfuerzo de medición aumenta enormemente. La teoría cuántica de campos ha predicho que a las subregiones de un sistema de muchas partículas entrelazadas se les puede asignar un perfil de temperatura. Estos perfiles se pueden utilizar para derivar el grado de entrelazamiento de las partículas.
En el simulador cuántico de Innsbruck, estos perfiles de temperatura se determinan mediante un circuito de retroalimentación entre una computadora y el sistema cuántico, donde la computadora genera constantemente nuevos perfiles y los compara con las mediciones reales del experimento.
Los perfiles de temperatura obtenidos por los investigadores muestran que las partículas que interactúan fuertemente con el medio ambiente son "calientes" y las que interactúan poco son "frías".
"Esto coincide exactamente con las expectativas de que el entrelazamiento es particularmente grande cuando la interacción entre partículas es fuerte", dice Kokail.
"Los métodos que hemos desarrollado proporcionan una poderosa herramienta para estudiar el entrelazamiento a gran escala en materia cuántica correlacionada. Esto abre la puerta al estudio de una nueva clase de fenómenos físicos con simuladores cuánticos que ya están disponibles hoy", dice Zoller. P>
"Con los ordenadores clásicos, este tipo de simulaciones ya no se pueden calcular con un esfuerzo razonable". Los métodos desarrollados en Innsbruck también se utilizarán para probar nuevas teorías en dichas plataformas.
Más información: Peter Zoller, Explorando el entrelazamiento a gran escala en simulación cuántica, Naturaleza (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06768-0. www.nature.com/articles/s41586-023-06768-0
Información de la revista: Naturaleza
Proporcionado por la Universidad de Innsbruck
