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Simulador cuántico

En esta fotografía de un cristal simulador cuántico, los iones emiten fluorescencia , lo que indica que todos los cúbits 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 núcleo 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 se muestra). Dentro de la trampa, el cristal gira en el sentido de las agujas del reloj. Crédito: Britton/NIST

Los simuladores cuánticos permiten estudiar un sistema cuántico de forma programable. En este caso, los simuladores son dispositivos especiales 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 puede ser simulado tanto por una máquina de Turing como por una máquina de Turing cuántica , ya que una máquina de Turing clásica es capaz de simular un ordenador cuántico universal (y por tanto cualquier simulador cuántico más sencillo), lo que significa que son equivalentes desde el punto de vista de la teoría de la computabilidad . Se ha demostrado que la simulación de una física cuántica por un ordenador clásico es ineficiente. [6] En otras palabras, los ordenadores cuánticos no aportan ningún poder adicional sobre los ordenadores clásicos en términos de computabilidad, pero se sospecha que pueden resolver ciertos problemas más rápido que los ordenadores clásicos, lo que significa que pueden estar en diferentes clases de complejidad , por lo que las máquinas de Turing cuánticas son útiles para simular sistemas cuánticos. Esto se conoce como supremacía cuántica , la idea de que hay problemas que solo las máquinas de Turing cuánticas pueden resolver en cualquier cantidad de tiempo factible .

Un sistema cuántico de muchas partículas podría ser simulado por 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. [7] [8] [9] [10]

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. [11]

Resolver problemas de física

Muchos problemas importantes en 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. [12] 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 computadoras clásicas porque explotan directamente las propiedades cuánticas de partículas reales. En particular, explotan una propiedad de la mecánica cuántica llamada superposición , en la que una partícula cuántica se hace que esté 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 de partículas incluso físicamente bien separadas. [2] [3] [13]

Recientemente se han utilizado simuladores cuánticos para obtener cristales de tiempo [14] [15] y líquidos de espín cuántico . [16] [17]

Simuladores de iones atrapados

El sistema basado en trampas de iones constituye un entorno ideal para simular interacciones en modelos de espín cuántico. [18] Un simulador de iones atrapados , creado por un equipo que incluía al NIST, puede diseñar y controlar interacciones entre cientos de bits cuánticos (qubits). [19] Los esfuerzos anteriores no pudieron ir más allá de los 30 bits cuánticos. La capacidad de este simulador es diez veces mayor que la de los dispositivos anteriores. Ha pasado una serie de pruebas de evaluación comparativa importantes que indican una capacidad para resolver problemas en la ciencia de los 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, los pulsos de microondas y láser 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 podrían cambiar en 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. [20] Kim et al., extendieron el simulador cuántico de iones atrapados a 3 espines, con interacciones de Ising antiferromagnéticas globales que presentan frustración y muestran el vínculo entre frustración y entrelazamiento [21] e Islam et al., utilizaron simulación cuántica adiabática para demostrar la agudización de una transición de fase entre el ordenamiento paramagnético y ferromagnético a medida que el número de espines aumentaba de 2 a 9. [22] Barreiro et al. crearon un simulador cuántico digital de espines en interacción con hasta 5 iones atrapados mediante el acoplamiento a un depósito abierto [23] y Lanyon et al. demostraron una simulación cuántica digital con hasta 6 iones. [24] 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 el control del nivel de frustración de espín ajustando el rango de interacción antiferromagnética. [25] Britton, et al. del NIST ha evaluado experimentalmente las interacciones de Ising en un sistema de cientos de qubits para estudios de magnetismo cuántico. [19] Pagano, et al., informaron sobre un nuevo sistema de captura de iones criogénico diseñado para el almacenamiento a largo plazo de grandes cadenas de iones que demuestra operaciones coherentes de uno y dos qubits para cadenas de hasta 44 iones. [26] Joshi, et al., investigaron la dinámica cuántica de 51 iones controlados individualmente, logrando una cadena de espín interactuante de largo alcance. [27]

Simuladores de átomos ultrafríos

Muchos experimentos con átomos ultrafríos son ejemplos de simuladores cuánticos. Entre ellos se 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 común de estos experimentos es la capacidad de realizar hamiltonianos genéricos, como el hamiltoniano de Hubbard o el hamiltoniano de Ising de campo transversal . Los principales objetivos de estos experimentos incluyen la identificación de fases de baja temperatura o el seguimiento de dinámicas fuera de equilibrio para varios modelos, problemas que son teórica y numéricamente intratables. [28] [29] Otros experimentos han realizado modelos de materia condensada en regímenes que son difíciles o imposibles de realizar con materiales convencionales, como el modelo de Haldane y el modelo de Harper-Hofstadter . [30] [31] [32] [33] [34]

Cubits superconductores

Los simuladores cuánticos que utilizan cúbits superconductores se dividen en dos categorías principales. En primer lugar, los denominados 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 de estado fundamental, transiciones de fase cuántica o dinámica temporal. [35] Varios resultados recientes importantes incluyen la realización de un aislante Mott en un sistema Bose-Hubbard disipativo accionado y estudios de transiciones de fase en redes de resonadores superconductores acoplados a cúbits. [36] [37]

Véase también

Referencias

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