Investigadores han demostrado que la termalización cuántica puede ocurrir dentro de fragmentos desconectados del espacio de Hilbert. Este hallazgo revoluciona nuestra comprensión de la dinámica cuántica y abre nuevas posibilidades en computación y sensores cuánticos

En la física cuántica, hay una pregunta que ha inquietado a los científicos durante décadas: ¿por qué algunos sistemas cuánticos parecen olvidar completamente su estado inicial, mientras que otros lo recuerdan? Este fenómeno, relacionado con la termalización cuántica, se ha estudiado en una amplia variedad de sistemas, desde átomos individuales hasta materiales complejos e incluso modelos de agujeros negros. Tradicionalmente, se creía que un sistema cuántico o bien alcanzaba el equilibrio térmico, perdiendo toda memoria de su estado inicial, o bien conservaba información sobre su configuración original. Sin embargo, un reciente experimento ha puesto en duda esta distinción, mostrando que ambos procesos pueden coexistir en ciertos sistemas fragmentados.

Un equipo de investigadores liderado por Luheng Zhao y sus colegas ha demostrado por primera vez que la termalización cuántica puede ocurrir de manera restringida a fragmentos del espacio de Hilbert. Esto suena bastante extraño, por lo que vamos a explicarlo en este artículo. En el estudio, publicado en Physical Review X, los científicos utilizaron una red de átomos de Rydberg para observar cómo la evolución cuántica puede dividirse en múltiples subespacios desconectados. Los resultados desafían ideas previas sobre la termalización, a la par que abren nuevas posibilidades para el control de la información en tecnologías cuánticas.

El problema de la termalización cuántica

En mecánica cuántica, cuando un sistema está aislado, su evolución temporal está determinada por la ecuación de Schrödinger. Un concepto fundamental en este contexto es la hipótesis de termalización de los autovalores (ETH, por sus siglas en inglés), que predice que los sistemas cuánticos aislados tienden a alcanzar un equilibrio térmico en el que cualquier información sobre el estado inicial se pierde completamente. Este comportamiento ha sido ampliamente confirmado en numerosos experimentos y simulaciones.

Sin embargo, existen excepciones a la ETH. Entre ellas, destacan los sistemas integrables, que preservan cierta información debido a la existencia de muchas cantidades conservadas, y los sistemas con localización de muchos cuerpos (MBL, por sus siglas en inglés), donde la desordenada disposición de los átomos impide la termalización total. Un tercer caso, más reciente, son los cicatrices cuánticas de muchos cuerpos, que muestran revivals periódicos de estados iniciales específicos.

El trabajo de Zhao y su equipo introduce un cuarto escenario en esta clasificación: la fragmentación del espacio de Hilbert, en la que el sistema no se comporta como un todo único, sino que se divide en múltiples fragmentos que evolucionan de manera independiente. Esta estructura interna permite que el sistema se termalice dentro de cada subespacio, pero no en el conjunto total.

Cómo se fragmenta un sistema cuántico

Para entender cómo ocurre esta fragmentación, los investigadores usaron un sistema de átomos de Rydberg, un tipo de átomos altamente excitados que interactúan fuertemente entre sí. En su experimento, dispusieron estos átomos en una red lineal y controlaron sus interacciones mediante el bloqueo y la facilitación de Rydberg.

El bloqueo de Rydberg es un fenómeno que impide que dos átomos cercanos estén excitados al mismo tiempo, mientras que la facilitación permite que un átomo se excite solo si hay otro átomo excitado a una distancia específica. Combinando estos efectos, los investigadores diseñaron una dinámica donde el espacio de Hilbert del sistema se fragmenta en subconjuntos desconectados.

Este tipo de fragmentación tiene implicaciones profundas: aunque dos estados tengan la misma energía total, si pertenecen a fragmentos distintos del espacio de Hilbert, no podrán intercambiar información ni termalizarse entre sí. Esta desconexión se debe a que las reglas cinéticas impuestas por la facilitación de Rydberg restringen la evolución del sistema a caminos específicos dentro del espacio de estados.

Cicatrices cuánticas y memoria de los estados iniciales

Otro hallazgo importante del estudio es la presencia de cicatrices cuánticas generalizadas, conocidas como Z₂ₖ scars. En estudios anteriores, las cicatrices cuánticas solo aparecían en patrones de excitación alternada, donde los átomos excitados y en estado fundamental se distribuían de forma regular. En el nuevo experimento, se observaron cicatrices más complejas, con estructuras periódicas de mayor longitud.

Estas cicatrices permiten que ciertos estados iniciales conserven memoria de su configuración original durante largos períodos de tiempo, sin dispersarse completamente como predice la termalización tradicional. Los experimentos confirmaron que estas cicatrices surgen de la interacción entre la fragmentación del espacio de Hilbert y la cinética impuesta por la facilitación de Rydberg.

Implicaciones para la computación y sensores cuánticos

Los resultados de este estudio no son meramente teóricos; tienen aplicaciones directas en varias áreas de la física cuántica. En particular, podrían ser utilizados para mejorar el control de la dinámica del entrelazamiento en computadoras cuánticas y sensores cuánticos.

Uno de los desafíos de la computación cuántica es la decoherencia, que hace que la información almacenada en un sistema cuántico se degrade con el tiempo. La fragmentación del espacio de Hilbert podría permitir el diseño de algoritmos donde la información se mantenga confinada en ciertos subespacios, reduciendo la pérdida de coherencia.

Por otra parte, estos efectos podrían aprovecharse en sensores cuánticos avanzados, que requieren mantener estados cuánticos altamente correlacionados. Un sensor basado en fragmentación cuántica podría ser más resistente a las fluctuaciones ambientales, mejorando su precisión en la medición de campos eléctricos y magnéticos.

Fuente: muyinteresante.com