Cúbits estables, un paso más hacia la computación cuántica
La simulación cuántica es el empleo de un sistema cuántico en condiciones controladas de laboratorio para simular otro sistema cuántico cuya descripción se encuentra más allá de las capacidades de los ordenadores convencionales. Este método lo resumió de forma idónea el físico teórico Richard Feynman: «La naturaleza no es clásica y, si quieres hacer una simulación de la naturaleza, será mejor que sea de mecánica cuántica». Los átomos ultrafríos y los iones atrapados en frío son herramientas prometedoras para la simulación del comportamiento de sistemas de muchos cuerpos. Este grado elevado de controlabilidad y las nuevas posibilidades de detección permiten estudiar los estados cuánticos de la materia de formas prácticamente imposibles de lograr a escala macroscópica. «Hasta ahora se han logrado importantes avances en el desarrollo de simuladores cuánticos capaces de predecir el comportamiento de sistemas cuánticos complejos artificiales. Esta labor implica modelar operadores hamiltonianos de muchos cuerpos con una complejidad cada vez mayor de manera controlada», indica el profesor Fabrizio Illuminati del proyecto financiado con fondos europeos EQuaM. Orden a partir del caos EQuaM permitió conocer mejor ciertos fenómenos físicos que podrían estar conectados con las propiedades cuánticas colectivas de algunos materiales. El equipo científico del proyecto estudió al detalle composiciones de átomos ultrafríos interactuando y los manipuló a fin de simular el comportamiento de imanes cuánticos frustrados. «La frustración desempeña una función básica en los estados exóticos de la materia como los líquidos de espín», indica el profesor Illuminati. Los imanes frustrados evitan la ordenación del espín de los electrones y, por tanto, colapsan en un estado similar al líquido. Los espines electrónicos continúan señalando hacia direcciones distintas incluso a temperaturas cercanas al cero absoluto. No obstante, se descubrió que los átomos parecían organizarse de manera espontánea en un tipo distinto de orden, regulado por los patrones ordenados del entrelazamiento cuántico de largo alcance a gran escala, o al menos en la escala estudiada en el experimento. «Uno de los grandes retos para el equipo fue la recreación de las condiciones necesarias para crecer materiales líquidos de espín cuántico en el laboratorio y desarrollar las herramientas adecuadas para su detección y control, lo cual ofrecerá un conocimiento exhaustivo de sus propiedades», añade el profesor Illuminati. De frustración a oportunidad La observación de los elementos característicos de un líquido de espín cuántico en una estructura magnética cuántica frustrada permite obtener información fundamental sobre la física subyacente en la intersección entre la materia condensada y el procesamiento de información cuántica. «Un rasgo fundamental de este nuevo estado cuántico de la materia ordenada es su carácter topológico. Dicho de otro modo, separa sus propiedades geométricas generales de las formas geométricas locales que se atribuyen a la interacción entre los componentes microscópicos. Esta circunstancia la hace especialmente resiliente a las perturbaciones provocadas por imperfecciones locales e influencias externas», explica el profesor Illuminati. ¿Qué importancia reviste esto para las aplicaciones cuánticas? Lograr cúbits con tiempos de coherencia prolongados es fundamental para todas las tecnologías de la información cuántica. La capacidad de los cúbits para mantenerse en superposición y entrelazados se ve enormemente menoscabada por las imperfecciones intrínsecas al sistema y por cualquier tipo de fluctuación provocada por la interacción con el entorno exterior. Al emplear el movimiento colectivo de los átomos para simular el imán frustrado, es posible crear cúbits tipológicos protegidos de las interacciones con el entorno. El objetivo ambicioso de la computación cuántica topológica es desarrollar «hardware» inmune a la descoherencia y mitigar así la necesidad de contar con técnicas de corrección activa de errores. «Por primera vez en Europa, EQuaM implementó un método pasivo con el que lograr tecnologías cuánticas eficaces en lugar de uno activo basado en la corrección de errores. Todos los sistemas y configuraciones de la materia cuántica topológica son intrínsecamente estables y, por tanto, resilientes a los efectos perjudiciales del ruido ambiental», destaca el profesor Illuminati. EQuaM demostró que es posible crear fases estables y ordenadas de materia cuántica en el laboratorio con composiciones de átomos ultrafríos y amplió los conocimientos teóricos que se poseen sobre las propiedades cuánticas colectivas de dicha materia. Los resultados representan todo un progreso en el ámbito de los átomos ultrafríos. Sus beneficios los aprovechará toda la comunidad científica dedicada a la coherencia y la información cuántica, especialmente para el diseño de memorias cuánticas y ordenadores cuánticos topológicos fiables y estables.
Palabras clave
EQuaM, cúbit, computación cuántica, átomo ultrafrío, imán frustrado, espín líquido, orden topológico