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Simulador cuántico

En esta fotografía de un cristal de simulador cuántico, los iones son fluorescentes , lo que indica que todos los qubits están en el mismo estado (ya sea "1" o "0"). En las condiciones experimentales adecuadas, el cristal iónico forma espontáneamente esta estructura reticular triangular casi perfecta. Crédito: Britton/NIST
Ilustración del simulador cuántico de iones atrapados: el corazón del simulador es un cristal bidimensional de iones de berilio (esferas azules en el gráfico); el electrón más externo de cada ion es un bit cuántico (qubit, flechas rojas). Los iones están confinados por un gran campo magnético en un dispositivo llamado trampa de Penning (no mostrado). Dentro de la trampa el cristal gira en el sentido de las agujas del reloj. Crédito: Britton/NIST

Los simuladores cuánticos permiten el estudio de un sistema cuántico de forma programable. En este caso, los simuladores son dispositivos de propósito especial diseñados para proporcionar información sobre problemas físicos específicos . [1] [2] [3] Los simuladores cuánticos pueden contrastarse con las computadoras cuánticas "digitales" generalmente programables , que serían capaces de resolver una clase más amplia de problemas cuánticos.

Un simulador cuántico universal es una computadora cuántica propuesta por Yuri Manin en 1980 [4] y Richard Feynman en 1982. [5]

Un sistema cuántico de muchas partículas podría simularse mediante una computadora cuántica utilizando una cantidad de bits cuánticos similar a la cantidad de partículas en el sistema original. [5] Esto se ha extendido a clases mucho más grandes de sistemas cuánticos. [6] [7] [8] [9]

Se han realizado simuladores cuánticos en varias plataformas experimentales, incluidos sistemas de gases cuánticos ultrafríos , moléculas polares, iones atrapados, sistemas fotónicos, puntos cuánticos y circuitos superconductores. [10]

Resolver problemas de física

Muchos problemas importantes de la física, especialmente la física de bajas temperaturas y la física de muchos cuerpos , siguen siendo poco comprendidos porque la mecánica cuántica subyacente es enormemente compleja. Las computadoras convencionales, incluidas las supercomputadoras, son inadecuadas para simular sistemas cuánticos con tan solo 30 partículas porque la dimensión del espacio de Hilbert crece exponencialmente con el número de partículas. [11] Se necesitan mejores herramientas computacionales para comprender y diseñar racionalmente materiales cuyas propiedades se cree que dependen del comportamiento cuántico colectivo de cientos de partículas. [2] [3] Los simuladores cuánticos proporcionan una ruta alternativa para comprender las propiedades de estos sistemas. Estos simuladores crean realizaciones limpias de sistemas específicos de interés, lo que permite realizaciones precisas de sus propiedades. El control preciso y la amplia capacidad de ajuste de los parámetros del sistema permiten desenredar claramente la influencia de varios parámetros.

Los simuladores cuánticos pueden resolver problemas que son difíciles de simular en ordenadores clásicos porque explotan directamente las propiedades cuánticas de las partículas reales. En particular, explotan una propiedad de la mecánica cuántica llamada superposición , en la que una partícula cuántica se hace estar en dos estados distintos al mismo tiempo, por ejemplo, alineada y antialineada con un campo magnético externo. Fundamentalmente, los simuladores también aprovechan una segunda propiedad cuántica llamada entrelazamiento , que permite correlacionar el comportamiento incluso de partículas físicamente bien separadas. [2] [3] [12]

Recientemente se han utilizado simuladores cuánticos para obtener cristales de tiempo [13] [14] y líquidos de espín cuántico . [15] [16]

Simuladores de iones atrapados

El sistema basado en trampas de iones constituye un escenario ideal para simular interacciones en modelos de espín cuántico. [17] Un simulador de iones atrapados , construido por un equipo que incluía al NIST, puede diseñar y controlar interacciones entre cientos de bits cuánticos (qubits). [18] Los esfuerzos anteriores no pudieron ir más allá de 30 bits cuánticos. La capacidad de este simulador es 10 veces mayor que la de los dispositivos anteriores. Ha superado una serie de importantes pruebas comparativas que indican su capacidad para resolver problemas en ciencia de materiales que son imposibles de modelar en computadoras convencionales.

El simulador de iones atrapados consiste en un pequeño cristal de un solo plano de cientos de iones de berilio , de menos de 1 milímetro de diámetro, flotando dentro de un dispositivo llamado trampa de Penning . El electrón más externo de cada ion actúa como un pequeño imán cuántico y se utiliza como un qubit, el equivalente cuántico de un “1” o un “0” en una computadora convencional. En el experimento de evaluación comparativa, los físicos utilizaron rayos láser para enfriar los iones hasta casi el cero absoluto. Luego, pulsos de láser y microondas cuidadosamente sincronizados hicieron que los qubits interactuaran, imitando el comportamiento cuántico de materiales que de otro modo serían muy difíciles de estudiar en el laboratorio. Aunque los dos sistemas pueden parecer diferentes en apariencia, su comportamiento está diseñado para ser matemáticamente idéntico. De esta manera, los simuladores permiten a los investigadores variar parámetros que no se pueden cambiar en los sólidos naturales, como el espaciado y la geometría de la red atómica.

Friedenauer et al., manipularon adiabáticamente 2 espines, mostrando su separación en estados ferromagnéticos y antiferromagnéticos. [19] Kim et al., ampliaron el simulador cuántico de iones atrapados a 3 espines, con interacciones antiferromagnéticas globales de Ising que presentaban frustración y mostraban el vínculo entre la frustración y el entrelazamiento [20] e Islam et al., utilizaron simulación cuántica adiabática para demostrar la nitidez. de una transición de fase entre el orden paramagnético y ferromagnético a medida que el número de espines aumentaba de 2 a 9. [21] Barreiro et al. crearon un simulador cuántico digital de espines interactuantes con hasta 5 iones atrapados mediante el acoplamiento a un depósito abierto [22] y Lanyon et al. Simulación cuántica digital demostrada con hasta 6 iones. [23] Islam, et al., demostraron una simulación cuántica adiabática del modelo transversal de Ising con interacciones de rango variable (largo) con hasta 18 espines de iones atrapados, mostrando control del nivel de frustración del espín ajustando el rango de interacción antiferromagnética. [24] Britton, et al. del NIST ha evaluado experimentalmente las interacciones de Ising en un sistema de cientos de qubits para estudios del magnetismo cuántico. [18] Pagano, et al., informaron sobre un nuevo sistema criogénico de captura de iones diseñado para el almacenamiento prolongado de grandes cadenas de iones que demuestra operaciones coherentes de uno y dos qubits para cadenas de hasta 44 iones. [25] Joshi, et al., investigaron la dinámica cuántica de 51 iones controlados individualmente, realizando una cadena de espín que interactúa de largo alcance. [26]

Simuladores de átomos ultrafríos

Muchos experimentos con átomos ultrafríos son ejemplos de simuladores cuánticos. Estos incluyen experimentos que estudian bosones o fermiones en redes ópticas , el gas unitario de Fermi y matrices de átomos de Rydberg en pinzas ópticas . Un hilo conductor de estos experimentos es la capacidad de realizar hamiltonianos genéricos, como el de Hubbard o el de Ising de campo transversal . Los principales objetivos de estos experimentos incluyen identificar fases de baja temperatura o rastrear dinámicas de desequilibrio para varios modelos, problemas que son teórica y numéricamente intratables. [27] [28] Otros experimentos han realizado modelos de materia condensada en regímenes que son difíciles o imposibles de realizar con materiales convencionales, como el modelo Haldane y el modelo Harper-Hofstadter . [29] [30] [31] [32] [33]

Qubits superconductores

Los simuladores cuánticos que utilizan qubits superconductores se dividen en dos categorías principales. En primer lugar, los llamados recocedores cuánticos determinan los estados fundamentales de ciertos hamiltonianos después de una rampa adiabática. Este enfoque a veces se denomina computación cuántica adiabática . En segundo lugar, muchos sistemas emulan hamiltonianos específicos y estudian sus propiedades del estado fundamental, las transiciones de fase cuánticas o la dinámica del tiempo. [34] Varios resultados recientes importantes incluyen la realización de un aislante Mott en un sistema Bose-Hubbard disipativo impulsado y estudios de transiciones de fase en redes de resonadores superconductores acoplados a qubits. [35] [36]

Ver también

Referencias

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