Los físicos cuánticos de la Trinity University, en colaboración con IBM Dublin, han simulado con éxito la superdifusión en un sistema de partículas cuánticas que interactúan en una computadora cuántica. Este es el primer paso hacia la realización de difíciles cálculos de transporte cuántico en hardware cuántico. A medida que el hardware continúa mejorando, se espera que este trabajo aporte nuevas revelaciones a la física de la materia condensada y la ciencia de los materiales.
Este trabajo es uno de los primeros resultados del Programa de becas predoctorales TCD-IBM, un programa recientemente establecido en el que IBM supervisa conjuntamente a estudiantes de doctorado en Trinity y al mismo tiempo emplea estudiantes de doctorado como personal. El artículo fue publicado recientemente en la famosa revista Nature NPJ Quantum Information.
IBM es líder mundial en el apasionante campo de la computación cuántica. La primera computadora cuántica utilizada en este estudio estaba compuesta por 27 qubits superconductores (los qubits son los componentes básicos de la lógica cuántica) y estaba ubicada físicamente en el laboratorio de IBM en Yorktown Heights, Nueva York, y programada de forma remota en Dublín.
La computación cuántica es una de las tecnologías más interesantes que existen y se espera que se acerque cada vez más a las aplicaciones comerciales en la próxima década. Más allá de las aplicaciones comerciales, las computadoras cuánticas pueden ayudar a resolver algunos problemas fundamentales fascinantes. Un equipo de la Trinity University de Dublín e IBM resolvió un problema relacionado con la simulación cuántica.
Dijo el profesor John Goold, director de la recién creada Trinity Quantum Alliance y líder de esta investigación, al explicar la importancia de este trabajo y la idea general de las simulaciones cuánticas.
"En general, simular la dinámica de sistemas cuánticos complejos que constan de muchos componentes que interactúan es un desafío difícil para las computadoras clásicas. Considere los 27 qubits de este dispositivo en particular. En mecánica cuántica, el estado de dicho sistema está determinado por una función llamada función de onda. Un objeto se describe matemáticamente. Para describir este objeto usando una computadora estándar es necesario almacenar una gran cantidad de coeficientes en la memoria, y el requisito de estos coeficientes aumenta exponencialmente con el número de qubits; en este caso de simulación, aproximadamente 134 Se necesitan millones de coeficientes ".
"Cuando los sistemas crecen a 300 bits, los coeficientes necesarios para describir dicho sistema exceden el número de átomos en el universo observable, y ninguna computadora clásica puede capturar con precisión el estado del sistema. En otras palabras, nos topamos con una pared al simular sistemas cuánticos. Simulación de la dinámica cuántica utilizando sistemas cuánticos La idea del aprendizaje se remonta al ganador del Premio Nobel estadounidense Richard Feynman, quien propuso que los sistemas cuánticos se simulan mejor utilizando sistemas cuánticos. La razón es simple: naturalmente, se aprovecha el hecho de que las computadoras cuánticas se describen mediante funciones de onda, evitando así los recursos clásicos exponenciales necesarios para almacenar estados".
Entonces, ¿qué simuló exactamente el equipo de investigación? El profesor Goold continuó:
"Algunos de los sistemas cuánticos no tridimensionales más simples son cadenas de espín. Estos sistemas están conectados por pequeños imanes llamados espines, que imitan materiales más complejos, y se utilizan para comprender el magnetismo. Estamos interesados en un modelo llamado cadena de Heisenberg, y estamos particularmente interesados en el comportamiento a largo plazo de cómo se transportan las excitaciones de espín a través del sistema. En este confinamiento de largo plazo, los sistemas cuánticos de muchos cuerpos entran en un régimen hidrodinámico, con el transporte descrito por ecuaciones que describen los fluidos clásicos".
"Estamos interesados en un mecanismo especial en el que se produce un fenómeno llamado superdifusión porque la física subyacente se rige por la ecuación de Kardar-Parisi-Zhang. Esta ecuación generalmente describe el crecimiento aleatorio de una superficie o interfaz, como cómo crece la altura de la nieve en una tormenta de nieve, cómo crece una mancha en una taza de café con el tiempo o cómo crece un fuego de pelusa. Esta propagación se llama transporte superdifusivo. Sorprendentemente, las ecuaciones que gobiernan estos fenómenos también aparecen en cuántica dinámica, que es el principal logro de este trabajo."
Nathan Keenan, becario predoctoral de IBM-Trinity, es programador del proyecto. Nos habló de algunos de los desafíos que enfrenta la programación de computadoras cuánticas.
Dijo: "El mayor problema en la programación de computadoras cuánticas es realizar cálculos útiles en presencia de ruido. Las operaciones realizadas a nivel de chip no son perfectas y las computadoras son muy sensibles a las interferencias del entorno del laboratorio. Por lo tanto, siempre es deseable minimizar el tiempo de ejecución de un programa útil, porque esto acortará el tiempo antes de que estos errores e interferencias puedan ocurrir y afectar los resultados".
Juan Bernabé-Moreno, director de IBM Research Reino Unido e Irlanda, dijo:
"IBM tiene una larga historia de avances en la tecnología de computación cuántica, aportando no solo décadas de investigación sino también los programas y ecosistemas cuánticos comerciales más grandes y amplios. Nuestra colaboración con Trinity College Dublin a través de los programas de maestría y doctorado en ciencia y tecnología cuánticas es un ejemplo de esto, y estoy encantado de que esta colaboración ya esté arrojando resultados prometedores".
A medida que el mundo entra en una nueva era de simulaciones cuánticas, es reconfortante saber que los físicos cuánticos del Trinity College Dublin están a la vanguardia: programando los dispositivos del futuro. La simulación cuántica es un pilar de investigación central de la recién formada Trinity Quantum Alliance, fundada y dirigida por el profesor John Goold, que cuenta con cinco socios industriales fundadores, incluidos IBM, Microsoft, Algorithmiq, Horizon y Moodys Analytics.