Herramienta cuántica abre la puerta a fenómenos desconocidos

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 específico a cada partícula individual. Más bien, tenemos que tener en cuenta todas las partículas que participan en un determinado estado al mismo tiempo. El entrelazamiento de las moléculas determina en última instancia las propiedades de la materia.

“El entrelazamiento de muchas partículas es la característica que marca la diferencia”, subraya Christian Kocail, uno de los primeros autores de este artículo publicado ahora en Nature. «Pero al mismo tiempo, es muy difícil de determinar». 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) presentan ahora un nuevo enfoque que podría 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 eficiente, que nos permite extraer información sobre el entrelazamiento del sistema en mediciones mucho más pequeñas», explica el físico teórico Rijk van Beijnen.

En una simulación cuántica de una trampa de iones que contiene 51 partículas, los científicos imitaron la materia real recreándola partícula por partícula y estudiándola en un entorno de laboratorio controlado. Muy pocos grupos de investigación en todo el mundo tienen el control necesario sobre tantas partículas como los físicos experimentales de Innsbruck, dirigidos por Christian Ross y Rainer Platt. «El principal desafío técnico al que nos enfrentamos aquí es cómo mantener bajas tasas de error mientras controlamos los 51 iones atrapados en nuestra trampa y garantizamos la viabilidad de controlar qubits y lecturas 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 los conocimientos y métodos en los que hemos trabajado juntos con esmero durante los últimos años. Es impresionante ver que se pueden hacer estas cosas con los recursos disponibles hoy», dice Christian Kukail, quien recientemente se unió al Instituto de Estudios Teóricos. Física Molecular y Óptica en la Universidad de Harvard».

Acceso directo a través de perfiles de temperatura

En la materia cuántica, las partículas pueden entrelazarse con mayor o menor fuerza. Las mediciones de partículas fuertemente entrelazadas sólo arrojan resultados aleatorios. Si los resultados de las mediciones son muy variables (es decir, si son puramente aleatorios), los científicos se refieren a esto como “caliente”. Si la probabilidad de un determinado resultado aumenta, se trata de un objeto cuántico «frío». Sólo medir todos los objetos enredados revela la condición exacta. En sistemas formados por un gran número de moléculas, el esfuerzo de medición aumenta espectacularmente. La teoría cuántica de campos predijo que a las subregiones de un sistema formado por muchas partículas entrelazadas se les puede asignar un perfil de temperatura. Estas características se pueden utilizar para extraer el grado de entrelazamiento de partículas.

En el simulador cuántico de Innsbruck, estos perfiles de temperatura se determinan mediante un circuito de retroalimentación entre el ordenador y el sistema cuántico, donde el ordenador 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 totalmente con la expectativa de que el entrelazamiento sea especialmente grande cuando la interacción entre partículas es fuerte», afirma Christian Kocail.

Abriendo puertas a nuevos campos de la física

«Los métodos que hemos desarrollado proporcionan una poderosa herramienta para estudiar el entrelazamiento a gran escala en materia cuántica coherente. Esto abre la puerta al estudio de una nueva clase de fenómenos físicos utilizando simuladores cuánticos que ya están disponibles en la actualidad». «Con los ordenadores clásicos, este tipo de simulaciones ya no se pueden realizar con un esfuerzo razonable». Los métodos desarrollados en Innsbruck también se utilizarán para probar nuevas teorías en estas plataformas.