Imagen: IQOQI/Ritsch. Fuente: Alphagalileo.
Una colaboración entre físicos cuánticos de Innsbruck (Austria) y de Madrid se ha adentrado en el fascinante mundo de las transiciones de fase cuánticas. Se trata de los primeros científicos que consiguen simular la competencia entre dinámicas opuestas en un nuevo tipo de transición entre dos órdenes cuánticos. Los resultados de estos experimentos han sido publicados en la prestigiosa revista Nature Physics.
“Si ponemos agua a hervir, se evaporan moléculas en forma de vapor de agua. Tal cambio del orden físico de la materia lo llamamos una transición de fase”, explica Markus Müller del Departamento de Física Teórica de la Facultad de Ciencias Físicas de la Universidad Complutense de Madrid (UCM), en declaraciones recogidas por Alphagalileo.
En una colaboración entre Müller y sus colegas teóricos Sebastian Diehl y Peter Zoller, del Instituto de Física Teórica, y sus colaboradores del Instituto de Física Experimental del grupo de Rainer Blatt en la Universidad de Innsbruck, en Austria, este equipo de científicos ha investigado una transición de fase novedosa que hasta hoy no se había podido observar.
Para conseguirlo, los físicos cuánticos usaron un nuevo instrumento que actualmente constituye uno de los más prometedores desarrollos de la física cuántica: un simulador cuántico. Este aparato funciona de una manera similar a un ordenador cuántico y permite simular fenómenos físicos que por su complejidad no admiten un tratamiento usando ordenadores clásicos.
“Las propiedades de un simulador cuántico nos abren la puerta al estudio en laboratorio de fenómenos cuánticos en sistemas que compuestos por muchas partículas y acoplados a un entorno”, comentan los físicos experimentales Philipp Schindler y Thomas Monz.
Observando la competición entre procesos
Utilizando unos pocos iones atrapados en una cámara de vacío, los científicos son capaces de simular la física compleja de transiciones de fase cuánticas. Ello requiere un nivel de control y una precisión en las manipulaciones experimentales muy elevados, de los cuales dispone el equipo de Rainer Blatt al tratarse de uno de los grupos experimentales punteros a nivel mundial en el campo.
“En este proyecto hemos construido un simulador cuántico que podemos programar a voluntad y que se basa en una cadena de cuatro o cinco iones atrapados”, explica Philipp Schindler. Una de las partículas sirve para introducir de forma controlada perturbaciones en el sistema, mientras los otros iones se usan para realizar el cálculo cuántico.
“Lo llamamos un simulador cuántico abierto. Mientras normalmente se intenta suprimir al máximo el efecto de perturbaciones indeseadas que estropean los efectos cuánticos frágiles, aquí explotamos esas perturbaciones para crear orden en un sistema cuántico”, dice Schindler.
“De esta manera conseguimos crear, mediante unas secuencias de operaciones, correlaciones cuánticas entre las partículas que salvan grandes distancias”. Este nuevo estado cuántico está caracterizado por su orden cuántico espacial y no tiene equivalente en nuestro mundo clásico. Se trata de la primera vez que este estado cuántico se ha podido crear y observar mediante estas perturbaciones hechas a medida.
En un siguiente paso, los investigadores interrumpieron periódicamente esa dinámica introduciendo otro tipo de dinámica diferente. “Como consecuencia, se interrumpe el efecto de la dinámica que crea el orden cuántico”, explican los físicos teóricos Sebastian Diehl y Markus Müller, “y eso nos permite observar la competencia entre los dos procesos incompatibles y estudiar en detalle lo que ocurre exactamente en la transición entre los dos tipos de orden”.
“Si ponemos agua a hervir, se evaporan moléculas en forma de vapor de agua. Tal cambio del orden físico de la materia lo llamamos una transición de fase”, explica Markus Müller del Departamento de Física Teórica de la Facultad de Ciencias Físicas de la Universidad Complutense de Madrid (UCM), en declaraciones recogidas por Alphagalileo.
En una colaboración entre Müller y sus colegas teóricos Sebastian Diehl y Peter Zoller, del Instituto de Física Teórica, y sus colaboradores del Instituto de Física Experimental del grupo de Rainer Blatt en la Universidad de Innsbruck, en Austria, este equipo de científicos ha investigado una transición de fase novedosa que hasta hoy no se había podido observar.
Para conseguirlo, los físicos cuánticos usaron un nuevo instrumento que actualmente constituye uno de los más prometedores desarrollos de la física cuántica: un simulador cuántico. Este aparato funciona de una manera similar a un ordenador cuántico y permite simular fenómenos físicos que por su complejidad no admiten un tratamiento usando ordenadores clásicos.
“Las propiedades de un simulador cuántico nos abren la puerta al estudio en laboratorio de fenómenos cuánticos en sistemas que compuestos por muchas partículas y acoplados a un entorno”, comentan los físicos experimentales Philipp Schindler y Thomas Monz.
Observando la competición entre procesos
Utilizando unos pocos iones atrapados en una cámara de vacío, los científicos son capaces de simular la física compleja de transiciones de fase cuánticas. Ello requiere un nivel de control y una precisión en las manipulaciones experimentales muy elevados, de los cuales dispone el equipo de Rainer Blatt al tratarse de uno de los grupos experimentales punteros a nivel mundial en el campo.
“En este proyecto hemos construido un simulador cuántico que podemos programar a voluntad y que se basa en una cadena de cuatro o cinco iones atrapados”, explica Philipp Schindler. Una de las partículas sirve para introducir de forma controlada perturbaciones en el sistema, mientras los otros iones se usan para realizar el cálculo cuántico.
“Lo llamamos un simulador cuántico abierto. Mientras normalmente se intenta suprimir al máximo el efecto de perturbaciones indeseadas que estropean los efectos cuánticos frágiles, aquí explotamos esas perturbaciones para crear orden en un sistema cuántico”, dice Schindler.
“De esta manera conseguimos crear, mediante unas secuencias de operaciones, correlaciones cuánticas entre las partículas que salvan grandes distancias”. Este nuevo estado cuántico está caracterizado por su orden cuántico espacial y no tiene equivalente en nuestro mundo clásico. Se trata de la primera vez que este estado cuántico se ha podido crear y observar mediante estas perturbaciones hechas a medida.
En un siguiente paso, los investigadores interrumpieron periódicamente esa dinámica introduciendo otro tipo de dinámica diferente. “Como consecuencia, se interrumpe el efecto de la dinámica que crea el orden cuántico”, explican los físicos teóricos Sebastian Diehl y Markus Müller, “y eso nos permite observar la competencia entre los dos procesos incompatibles y estudiar en detalle lo que ocurre exactamente en la transición entre los dos tipos de orden”.
Reduciendo errores
El experimento requiere de una precisión inmensa, lo cual hace indispensable que se corrijan posibles errores de cálculo cuánticos de forma inmediata, para poder simular los procesos físicos correctamente.
Una corrección de errores completa y universal - tal como se está desarrollando para ordenadores cuánticos en este momento - exige un esfuerzo técnico enorme. Debido a esta dificultad, los físicos de Innsbruck y Madrid optaron por seguir un camino alternativo y prometedor: identificaron las fuentes de errores dominantes durante la simulación y tomaron medidas específicas para reducir dichos errores.
“Esta estrategia de reducir el efecto de los errores servirá de modelo para futuros experimentos”, está convencido Philipp Schindler. “La corrección de errores cuánticos general sigue siendo un objetivo a largo plazo. No obstante, estos métodos alternativos podrían permitir realizar simulaciones cuánticas fiables de sistemas cuánticos grandes en un futuro más cercano”, añade Markus Müller.
Colaboración entre teoría y experimentación
Adquirir estos conocimientos profundos de la naturaleza de transiciones de fase cuánticas representa un avance científico único. Fue posible sólo gracias a la combinación de un nivel experimental enormemente avanzado y una investigación teórica de primera línea.
La teoría para este proyecto se desarrolló en una colaboración internacional entre los físicos cuánticos de Innsbruck y de Madrid. Markus Müller, después de realizar la tesis doctoral en Innsbruck, se trasladó a Madrid donde está trabajando desde hace dos años como investigador posdoctoral en el Grupo de Información y Computación Cuántica (GICC) de Miguel Ángel Martín-Delgado. En este grupo desarrolla líneas de investigación en computación y simulaciones cuánticas en el marco de los proyectos PICC (Physics of Ion Coulomb Crystals) y QUITEMAD (Quantum Information Technologies Madrid).
“Esta conexión ideal entre físicos teóricos y experimentales con un intercambio de ideas tan intenso y directo sólo existe en muy pocos centros científicos del mundo, y es una de las grandes fortalezas de la física cuántica en Innsbruck. Nos llevó de nuevo a un área de la física que nadie había explorado antes”, se alegra Rainer Blatt.
“Aquí se simula con éxito en un experimento con pocos iones atrapados la física de sistemas de muchas partículas. Esto demuestra el enorme potencial y las posibilidades que ofrece la simulación cuántica”, añade Peter Zoller.
El experimento requiere de una precisión inmensa, lo cual hace indispensable que se corrijan posibles errores de cálculo cuánticos de forma inmediata, para poder simular los procesos físicos correctamente.
Una corrección de errores completa y universal - tal como se está desarrollando para ordenadores cuánticos en este momento - exige un esfuerzo técnico enorme. Debido a esta dificultad, los físicos de Innsbruck y Madrid optaron por seguir un camino alternativo y prometedor: identificaron las fuentes de errores dominantes durante la simulación y tomaron medidas específicas para reducir dichos errores.
“Esta estrategia de reducir el efecto de los errores servirá de modelo para futuros experimentos”, está convencido Philipp Schindler. “La corrección de errores cuánticos general sigue siendo un objetivo a largo plazo. No obstante, estos métodos alternativos podrían permitir realizar simulaciones cuánticas fiables de sistemas cuánticos grandes en un futuro más cercano”, añade Markus Müller.
Colaboración entre teoría y experimentación
Adquirir estos conocimientos profundos de la naturaleza de transiciones de fase cuánticas representa un avance científico único. Fue posible sólo gracias a la combinación de un nivel experimental enormemente avanzado y una investigación teórica de primera línea.
La teoría para este proyecto se desarrolló en una colaboración internacional entre los físicos cuánticos de Innsbruck y de Madrid. Markus Müller, después de realizar la tesis doctoral en Innsbruck, se trasladó a Madrid donde está trabajando desde hace dos años como investigador posdoctoral en el Grupo de Información y Computación Cuántica (GICC) de Miguel Ángel Martín-Delgado. En este grupo desarrolla líneas de investigación en computación y simulaciones cuánticas en el marco de los proyectos PICC (Physics of Ion Coulomb Crystals) y QUITEMAD (Quantum Information Technologies Madrid).
“Esta conexión ideal entre físicos teóricos y experimentales con un intercambio de ideas tan intenso y directo sólo existe en muy pocos centros científicos del mundo, y es una de las grandes fortalezas de la física cuántica en Innsbruck. Nos llevó de nuevo a un área de la física que nadie había explorado antes”, se alegra Rainer Blatt.
“Aquí se simula con éxito en un experimento con pocos iones atrapados la física de sistemas de muchas partículas. Esto demuestra el enorme potencial y las posibilidades que ofrece la simulación cuántica”, añade Peter Zoller.
Referencia bibliográfica:
Schindler, M. Müller, D. Nigg, J. T. Barreiro, E. A. Martinez, M. Hennrich, T. Monz, S. Diehl, P. Zoller y R. Blatt. Quantum simulation of dynamical maps with trapped ions. Nature Physics (2013). DOI: 10.1038/NPHYS2630.
Schindler, M. Müller, D. Nigg, J. T. Barreiro, E. A. Martinez, M. Hennrich, T. Monz, S. Diehl, P. Zoller y R. Blatt. Quantum simulation of dynamical maps with trapped ions. Nature Physics (2013). DOI: 10.1038/NPHYS2630.