Hay diferentes ideas sobre cómo se podrían construir computadoras cuánticas. Pero todos tienen una cosa en común:se utiliza un sistema físico cuántico (por ejemplo, átomos individuales) y se cambia su estado exponiéndolos a fuerzas muy específicas durante un tiempo específico. Sin embargo, esto significa que para poder confiar en que la operación de computación cuántica proporcione el resultado correcto, necesita un reloj que sea lo más preciso posible.
Pero aquí surgen problemas:la medición perfecta del tiempo es imposible. Todo reloj tiene dos propiedades fundamentales:una determinada precisión y una determinada resolución temporal. La resolución temporal indica qué tan pequeños son los intervalos de tiempo que se pueden medir, es decir, qué tan rápido avanza el reloj. La precisión le indica cuánta inexactitud puede esperar con cada tick.
El equipo de investigación pudo demostrar que, dado que ningún reloj tiene una cantidad infinita de energía disponible (o genera una cantidad infinita de entropía), nunca puede tener una resolución y precisión perfectas al mismo tiempo. Esto establece límites fundamentales a las posibilidades de las computadoras cuánticas.
En nuestro mundo clásico, las operaciones aritméticas perfectas no son un problema. Por ejemplo, se puede utilizar un ábaco en el que se enhebran bolas de madera en un palo y se empujan hacia adelante y hacia atrás. Las cuentas de madera tienen estados claros, cada una está en un lugar muy concreto, si no haces nada la cuenta se quedará exactamente donde estaba.
Y si mueves la cuenta rápida o lentamente no afecta el resultado. Pero en física cuántica es más complicado.
"Matemáticamente hablando, cambiar un estado cuántico en una computadora cuántica corresponde a una rotación en dimensiones superiores", dice Jake Xuereb del Instituto Atómico de la Universidad Tecnológica de Viena en el equipo de Marcus Huber y primer autor del primer artículo publicado en Cartas de revisión física . "Para lograr al final el estado deseado, la rotación debe aplicarse durante un período de tiempo muy específico. De lo contrario, el estado se gira demasiado corto o demasiado."
Marcus Huber y su equipo investigaron en general qué leyes deben aplicarse siempre a todos los relojes imaginables. "La medición del tiempo siempre tiene que ver con la entropía", explica Marcus Huber. En todo sistema físico cerrado, la entropía aumenta y se vuelve cada vez más desordenado. Es precisamente este desarrollo el que determina la dirección del tiempo:el futuro es donde la entropía es mayor y el pasado es donde la entropía es aún menor.
Como puede verse, cada medición del tiempo está inevitablemente asociada con un aumento de la entropía:un reloj, por ejemplo, necesita una batería, cuya energía se convierte finalmente en calor de fricción y tictac audible a través de la mecánica del reloj, un proceso en el que Cuando ocurre un estado bastante ordenado, la batería se convierte en un estado bastante desordenado de radiación de calor y sonido.
Sobre esta base, el equipo de investigación pudo crear un modelo matemático al que básicamente debe obedecer cualquier reloj imaginable. "Para un aumento dado de la entropía, existe un equilibrio entre la resolución temporal y la precisión", afirma Florian Meier, primer autor del segundo artículo, publicado ahora en arXiv. servidor de preimpresión. "Es decir:o el reloj funciona rápido o funciona con precisión; ambas cosas no son posibles al mismo tiempo."
Esta comprensión ahora trae consigo un límite natural para las computadoras cuánticas:la resolución y precisión que se puede lograr con los relojes limita la velocidad y confiabilidad que se puede lograr con las computadoras cuánticas. "Por el momento no supone ningún problema", afirma Huber.
"En la actualidad, la precisión de los ordenadores cuánticos todavía está limitada por otros factores, por ejemplo, la precisión de los componentes utilizados o los campos electromagnéticos. Pero nuestros cálculos también muestran que hoy no estamos lejos del régimen en el que los límites fundamentales de la medición del tiempo juega el papel decisivo."
Por lo tanto, si se mejora aún más la tecnología de procesamiento de información cuántica, inevitablemente tendremos que enfrentarnos al problema de una medición del tiempo no óptima. Pero quién sabe:tal vez así sea exactamente como podamos aprender algo interesante sobre el mundo cuántico.
Más información: Florian Meier et al, Compensación fundamental entre precisión y resolución para dispositivos de cronometraje, arXiv (2023). DOI:10.48550/arxiv.2301.05173
Información de la revista: Cartas de revisión física , arXiv
Proporcionado por la Universidad Tecnológica de Viena
