Simulador cuántico visualiza entrelazamiento de materiales a gran escala – Physics World

Simulador cuántico visualiza entrelazamiento de materiales a gran escala – Physics World

Marca de tiempo: 14 de diciembre de 2023 5:07 a.m.

Ilustración del artista que muestra una lupa suspendida sobre una superficie gris de un material. Partículas de colores brillantes (rojo, azul, violeta y naranja, que representan diferentes temperaturas) salen del material y pasan a través de la lupa.
¿Qué tan enredado está? Los investigadores obtuvieron perfiles de temperatura de su sistema que muestran que las partículas que interactúan fuertemente son “calientes” (rojo) y las que interactúan poco son “frías” (azul). El entrelazamiento es mayor cuando las interacciones son fuertes. (Cortesía: Helene Hainzer)

Físicos en Austria han encontrado una manera rápida y eficiente de extraer información sobre la estructura de entrelazamiento a gran escala de un material cuántico gracias a un teorema de 50 años de antigüedad de la teoría cuántica de campos. El nuevo método podría abrir puertas en campos como la información cuántica, la química cuántica o incluso la física de altas energías.

El entrelazamiento cuántico es un fenómeno por el cual la información contenida en un conjunto de partículas está codificada en correlaciones entre ellas. No se puede acceder a esta información sondeando las partículas individualmente, y es una característica esencial de la mecánica cuántica, que distingue claramente el mundo cuántico del clásico. Además de ser fundamental para la computación y la comunicación cuánticas, el entrelazamiento influye en gran medida en las propiedades de una clase emergente de materiales exóticos. Por lo tanto, una comprensión más profunda podría ayudar a los científicos a comprender y resolver problemas en la ciencia de los materiales, la física de la materia condensada y más.

El problema es que aprender sobre el entrelazamiento interno de un gran número de partículas entrelazadas es notoriamente difícil, ya que la complejidad de las correlaciones aumenta exponencialmente con el número de partículas. Esta complejidad hace imposible que una computadora clásica simule materiales hechos de tales partículas. Los simuladores cuánticos están mejor equipados para esta tarea, ya que pueden representar la misma complejidad exponencial que el material objetivo que están simulando. Sin embargo, extraer las propiedades de entrelazamiento de un material con técnicas estándar todavía requiere una cantidad increíblemente grande de mediciones.

simulador cuántico

En su nuevo método, más eficiente para evaluar la fuerza del entrelazamiento de un sistema, investigadores de la Universidad de Innsbruck y el cercano Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica (IQOQI) interpretaron la fuerza del entrelazamiento en términos de temperatura local. Mientras que las regiones altamente entrelazadas del material cuántico aparecen "calientes" en este método, las regiones débilmente entrelazadas aparecen "frías". Fundamentalmente, la teoría cuántica de campos predice la forma exacta de este campo de temperatura que varía localmente, lo que permite al equipo medir perfiles de temperatura de manera más eficiente de lo que era posible con métodos anteriores.

Para simular un material cuántico entrelazado, el equipo de Innsbruck-IQOQI utilizó un sistema de 51 40Ca+ iones mantenidos en su lugar dentro de una cámara de vacío mediante el campo eléctrico oscilante de un dispositivo llamado trampa lineal de Paul. Esta configuración permite controlar individualmente cada ion y leer su estado cuántico con alta precisión. Los investigadores pudieron determinar rápidamente los perfiles de temperatura correctos colocando un circuito de retroalimentación entre el sistema y una computadora (clásica) que genera constantemente nuevos perfiles y los compara con las mediciones reales del experimento. Luego realizaron mediciones para extraer propiedades como la energía del sistema. Finalmente, investigaron la estructura interna de los estados del sistema estudiando los perfiles de "temperatura", lo que les permitió determinar el entrelazamiento.

Regiones frías y calientes

Los perfiles de temperatura que obtuvo el equipo muestran que las regiones que están fuertemente correlacionadas con las partículas circundantes pueden considerarse "calientes" (es decir, muy entrelazadas) y aquellas que interactúan muy poco pueden considerarse "frías" (débilmente entrelazadas). Los investigadores también confirmaron, por primera vez, las predicciones de la teoría cuántica de campos adaptada a los estados fundamentales (o estados de baja temperatura) de los materiales mediante el teorema de Bisognano-Wichmann, propuesto por primera vez en 1975 como una forma de relacionar ciertas transformaciones de Lorentz. en el espacio-tiempo a transformaciones de carga, paridad y tiempo. Además, el método les permitió visualizar el cruce desde estados fundamentales débilmente entrelazados a estados excitados fuertemente entrelazados del material cuántico.

Jefe de equipo pedro zoller, que ocupa cargos tanto en Innsbruck como en el IQOQI, afirma que los resultados y las técnicas utilizadas para obtenerlos (protocolos cuánticos que se ejecutan en un simulador cuántico) son generalmente aplicables a la simulación de materiales cuánticos. Por esta razón, cree que tienen una gran importancia para la ciencia y la tecnología de la información cuántica, así como para la simulación cuántica. "Para experimentos futuros, nos gustaría hacer esto con otras plataformas y sistemas modelo más complicados/interesantes", dice. Mundo de la Física. "Nuestras herramientas y técnicas son muy generales".

marcelo dalmonte, físico del Centro Internacional de Física Teórica Abdus Salam en Italia, que no participó en la investigación, califica los resultados como "un verdadero pionero". En su opinión, el método lleva nuestra comprensión experimentalmente comprobable del entrelazamiento a un nuevo nivel al revelar toda su complejidad. También cree que la técnica mejorará nuestra comprensión de la relación entre el entrelazamiento y los fenómenos físicos, y está entusiasmado con la posibilidad de utilizarla para resolver cuestiones clave en física teórica, como alcanzar una mejor comprensión de la estructura de entrelazamiento de operadores para estados mixtos. Otra posible área a explorar podría ser el entrelazamiento mutuo entre trozos de materia, aunque Dalmonte añade que esto requeriría más mejoras en el protocolo, incluido el aumento de su escalabilidad.

La investigación se describe en Naturaleza.

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