Los simuladores cuánticos, que son ordenadores cuánticos de propósito especial, ayudarán a los investigadores a identificar materiales con propiedades nuevas y útiles.

Este atractivo futuro acaba de dar un paso adelante gracias a la colaboración entre Google e investigadores de universidades estadounidenses, de Singapur y Grecia.

El equipo internacional utilizó fotones en el chip cuántico de Google para simular el patrón sorprendente y hermoso de la «mariposa Hofstadter», una estructura fractal que caracteriza el comportamiento de los electrones en campos magnéticos fuertes. Los resultados, publicado en la revista ‘Science’, muestran cómo los simuladores cuánticos están empezando a cumplir sus promesas como poderosas herramientas.

«Siempre hemos tenido la idea de que podemos usar fotones para simular y comprender mejor la naturaleza. Nuestra colaboración lo pone en práctica», afirma en un comunicado uno de los investigadores, Dimitris Angelakis, del Centro de Tecnologías Cuánticas de la Universidad Nacional de Singapur.

La hazaña se realizó en la cadena de Google de nueve bits cuánticos superconductores (qubits) por colaboradores de Google y la Universidad de California Santa Bárbara, en Estados Unidos, la Universidad Nacional de Singapur y la Universidad Técnica de Creta, Grecia. Estos investigadores mostraron cómo un simulador cuántico puede reproducir todo tipo de exóticos comportamientos cuánticos complejos, lo que permitirá a los científicos simular (y así diseñar) materiales con propiedades exóticas de conducción electrónica, abriendo una gama de nuevas aplicaciones.

\»Con chips similares al usado en este experimento, estamos interesados en estudiar los problemas en el núcleo de la materia condensada, la mecánica estadística y la dinámica de no equilibrio\», señala el ingeniero de electrónica cuántica, Pedram Roushan, de Google.

La mariposa de Hofstadter apareció por primera vez en 1976, en cálculos de electrones en un material bidimensional en un campo magnético fuerte. La mariposa mapea las divisiones y los cambios de los niveles de energía del electrón con las modificaciones en la intensidad del campo. En esta simulación cuántica, los fotones tomaron el papel de los electrones mientras que las compuertas en los qubits proporcionaron un análogo del campo magnético.

Emerge el patrón de mariposa de hofstadter

De las mediciones del equipo, surgió el patrón de mariposa. El experimento se basó en la invención del equipo de una nueva técnica de espectroscopia que llaman «golpear y escuchar». La técnica mapea los niveles de energía de partículas de luz y fotones de microondas, almacenados en los nueve qubits.

«Nuestro método es como tocar la campana. El sonido que produce es una superposición de todos los armónicos básicos. Al golpearlo en diferentes posiciones varias veces y escuchar la melodía el tiempo suficiente, uno puede detectar los armónicos ocultos. Hacemos lo mismo con el chip cuántico, golpeándolo con fotones y luego siguiendo su evolución en el tiempo», explica Angelakis. El equipo vio la mariposa golpeando los qubits con un fotón a la vez.

El equipo también golpeó los qubits con dos fotones simultáneamente y convirtió los qubits en desordenados, programando algunos aleatoriamente en sus propiedades, para estudiar el complejo fenómeno conocido como «localización de muchos cuerpos». Esta es una transición de fase cuántica, similar al cambio de fase que sucede cuando el agua se congela en el hielo, que determina si los materiales son conductores o aislantes. El equipo encontró precursores de la localización de muchos cuerpos al aplicar su técnica de «golpear y escuchar» a diferentes regímenes de desorden e interacción.

Hacer frente a este tipo de fenómeno puede proporcionar otra vía para diseñar nuevos materiales útiles con propiedades de conducción exóticas; pero los físicos en general luchan por simular escenarios igual de complejos. Se pronosticó en la década de 1950 que el desorden en un material podría bloquear el movimiento de electrones a través de él, a lo que se llama localización. Pero si las partículas pueden interactuar entre sí, el problema se convierte en «muchos cuerpos» y mucho más difíciles de modelar.

Para solo dos fotones en nueve qubits, el equipo podría simular en los ordenadores convencionales qué comportamiento esperar, encontrando un buen acuerdo con sus resultados experimentales. Pero si se agregan solo algunos qubits más, el problema se vuelve intratable para las máquinas clásicas.

Eso hace que la perspectiva de los simuladores cuánticos más grandes sea tentadora para los científicos: podrían abordar problemas que están fuera del alcance de las supercomputadoras actuales. «Comprender las fases cuánticas sigue siendo uno de los misterios no resueltos de la física», concluue Roushan.

Fuente: Europa Press