Científicos norteamericanos han conseguido un simulador cuántico magnético con más de 50 cúbits atómicos que permitirá explorar la física inaccesible, sondear la materia magnética y resolver problemas complejos en química cuántica o diseño de materiales. Estos investigadores confían en llegar a controlar hasta 100 cúbits de iones.
Dos equipos independientes de científicos de la Universidad de Maryland (UMD) y del Instituto Nacional de Normas y Tecnologías (NIST) han utilizado más de 50 cúbits atómicos interactivos para la creación de un simulador cuántico magnético, superando así lo conseguido hasta ahora. En los últimos años, los científicos han conseguido controlar entre 10 y 20 cúbits atómicos en simulaciones cuánticas a pequeña escala.
Un simulador cuántico es un sistema cuántico controlable que se usa para simular o emular otros sistemas cuánticos. El magnetismo cuántico describe el comportamiento de átomos individuales que actúan como pequeños magnetos.
Como base de esta nueva simulación, uno de estos equipos desplegó hasta 53 cúbits de iones de iterbio individuales atrapados por electrodos. El segundo equipo utilizó 51 cúbits de átomos de rubidio sin carga, confinados por rayos láser. Los resultados se han publicado en Nature.
Con todos estos cúbits, estos nuevos simuladores cuánticos están a punto de explorar la física inaccesible incluso para los ordenadores actuales más rápidos. Y todavía se puede aumentar el número de cúbits que concentren más átomos en la mezcla. Estos investigadores confían en llegar a controlar 100 cúbits de iones.
Cada cúbit iónico es un reloj atómico estable que puede reproducirse con facilidad, explica Christopher Monroe, uno de los investigadores, en un comunicado. Esto significa que el mismo aparato puede ser reprogramado y reconfigurado desde el exterior para adaptarse a cualquier simulación cuántica o futura aplicación cuántica, añade.
Aunque los ordenadores modernos, impulsados por transistores, son perfectos para resolver numerosos problemas, fallan cuando quieren manipular más de 20 objetos cuánticos en interacción.
Cuando los cálculos alcanzan sus límites, un simulador cuántico puede ayudar a los científicos a superar los límites de los problemas difíciles. Sólo unos pocos ordenadores cuánticos utilizan cúbits para imitar a la materia cuántica compleja.
Los cúbits son sistemas cuánticos aislados y bien controlados que pueden combinar dos o más estados a la vez. Los cúbits se presentan de diferentes formas y los átomos son uno de los principales elementos para conseguirlos.
NUEVA FRONTERA
En la actualidad, pequeñas y grandes empresas, así como grupos de investigación, persiguen la construcción de prototipos de ordenadores cuánticos capaces de controlar cada vez más cúbits. Sin embargo, los cúbits son delicados y deben permanecer aislados del entorno para proteger la naturaleza cuántica del ordenador. Cada vez que se añade un cúbit, esta protección se vuelve más difícil.
Al revés de lo que ocurre en los circuitos integrados de los ordenadores modernos, los cúbits atómicos residen dentro de una cámara de vacío a temperatura ambiente que mantiene una presión similar a la del espacio exterior.
Este aislamiento es necesario para evitar la contaminación del entorno y permite a los científicos controlar con precisión los cúbits atómicos con una red de láseres, lentillas, espejos, fibras ópticas y circuitos eléctricos.
El nuevo simulador cuántico es adecuado para sondear materia magnética y problemas relacionados. Pero otros tipos de cálculos pueden necesitar una computadora cuántica más general con interacciones arbitrariamente programables para obtener un desarrollo.
"Se cree que las simulaciones cuánticas son una de las primeras aplicaciones útiles de las computadoras cuánticas", dice Alexey Gorshkov coautor del estudio. "Después de perfeccionar estos simuladores cuánticos, podemos implementar circuitos cuánticos y finalmente conectar cuánticamente muchas cadenas iónicas para construir una computadora cuántica a escala real con un dominio mucho más amplio de aplicaciones".
A medida que buscan agregar aún más cúbits, el equipo cree que su simulador se embarcará en un terreno más desafiante desde el punto de vista computacional, más allá del magnetismo. Según Jiehang Zhang, autor principal del estudio, "llegados a este punto, potencialmente podemos explorar problemas difíciles en química cuántica o diseño de materiales".
Referencia bibliográfica:
Zhang, J. et al. 2017. Observation of a many-body dynamical phase transition with a 53-qubit quantum simulator. Nature 551, 601–604. DOI:10.1038/nature24654
