La investigación apoyada por el Quantum Leap Center avanza en el campo de la simulación cuántica utilizando sistemas cuánticos a escala atómica. Los diamantes suelen ser apreciados por su brillo impecable, pero el profesor asistente de física Zu Chongzhi ve un valor más profundo en estos cristales naturales. Como informa Physical Review Letters, una de las revistas más prestigiosas de física, el equipo de ChongZu ha dado un paso importante en su búsqueda por convertir diamantes en simuladores cuánticos.
Los coautores del artículo incluyen a la profesora de física Kater Murch, los estudiantes de doctorado He Guanghui, Ruotian (Reginald) Gong y Liu Zhongyuan. Su trabajo fue parcialmente apoyado por el Centro de Saltos Cuánticos. El Quantum Leap Center es una iniciativa distintiva del Plan Estratégico de Artes y Ciencias para aplicar conocimientos y tecnologías cuánticos a la física, las ciencias biomédicas y de la vida, el descubrimiento de fármacos y otros campos de gran alcance.
Los investigadores bombardearon el diamante con átomos de nitrógeno, provocando que se transformara. Algunos de estos átomos de nitrógeno desplazan a los átomos de carbono, creando defectos en un cristal que de otro modo sería perfecto. El vacío resultante se llena de electrones con espín y magnetismo, cuyas propiedades cuánticas pueden medirse y manipularse para una amplia gama de aplicaciones.
Como Zu y su equipo han revelado anteriormente a través de su trabajo con boro, tales defectos tienen el potencial de usarse como sensores cuánticos que responden a su entorno y entre sí. En el nuevo estudio, los investigadores se centraron en otra posibilidad: utilizar cristales imperfectos para estudiar el increíblemente complejo mundo cuántico.
Los ordenadores clásicos, incluidos los superordenadores más avanzados, no son suficientes para simular sistemas cuánticos, ni siquiera los que tienen sólo una docena de partículas cuánticas. Esto se debe a que las dimensiones del espacio cuántico crecen exponencialmente con cada partícula adicional. Pero una nueva investigación muestra que es posible simular directamente dinámicas cuánticas complejas utilizando sistemas cuánticos controlables. "Diseñamos cuidadosamente nuestro sistema cuántico, creamos una simulación y lo dejamos funcionar. Finalmente, observamos los resultados. Este es un problema casi imposible de resolver usando una computadora clásica", dijo Zu.
El progreso del equipo en esta área ayudará a investigar algunos de los aspectos más interesantes de la física cuántica de muchos cuerpos, incluida la comprensión de nuevas etapas de la materia y la predicción de fenómenos emergentes en sistemas cuánticos complejos.
En el último estudio, Zu y su equipo pudieron mantener estable su sistema durante hasta 10 milisegundos, mucho tiempo en el mundo cuántico. En particular, su sistema de diamantes funciona a temperatura ambiente, a diferencia de otros sistemas de simulación cuántica que funcionan a temperaturas ultrafrías.
Una de las claves para mantener intactos los sistemas cuánticos es evitar la termalización, que es cuando un sistema absorbe tanta energía que todos los defectos pierden su firma cuántica única y terminan luciendo exactamente iguales. El equipo descubrió que podían retrasar este resultado haciendo que el sistema fuera demasiado rápido para absorber energía. Esto pone al sistema en un estado de "calentamiento" relativamente estable.
Este nuevo sistema basado en diamantes permite a los físicos estudiar las interacciones de múltiples regiones cuánticas simultáneamente. También abre la posibilidad de crear sensores cuánticos cada vez más sensibles. "Cuanto más tiempo existe un sistema cuántico, mayor es su sensibilidad", dijo Zu.
Zu y su equipo están colaborando actualmente con otros científicos de la Universidad de Washington en el Quantum Leap Center para obtener nuevos conocimientos en todas las disciplinas. En Artes y Ciencias, Zu está trabajando con Erik Henriksen, profesor asociado de física, para mejorar el rendimiento del sensor. También planea utilizarlos para comprender mejor los materiales cuánticos creados en el laboratorio de Sheng Ran, profesor asistente de física. También está trabajando con Philip Skemer, profesor de ciencias terrestres, ambientales y planetarias, para observar campos magnéticos en muestras de rocas a nivel atómico, y con Shankar Mukherji, profesor asistente de física, para obtener imágenes de la termodinámica en células biológicas vivas.