Los simuladores cuánticos se abren al mundo

Muchos de los fenómenos de nuestro mundo son un producto de la mecánica cuántica o mecánica de las partículas subatómicas: la estructura de los propios átomos y de las moléculas, las reacciones químicas, las propiedades de los materiales, el magnetismo y, también posiblemente, algunos procesos biológicos.

La complejidad de estos fenómenos aumenta cuanto mayor es la cantidad de partículas cuánticas o subatómicas implicadas en ellos, por lo que el análisis de los sistemas que estas partículas forman suele resultar inefectivo. Incluso los ordenadores más potentes fracasan en la resolución de los problemas que estos sistemas presentan.

Máquinas cuánticas

Para tratar de comprender a fondo los sistemas cuánticos, los físicos llevan tiempo trabajando en el desarrollo de dispositivos que funcionen en el ámbito cuántico. Se cree que estas minúsculas “máquinas”, conocidas como “simuladores cuánticos”, ayudarán a entender la mecánica cuántica, a través de la simulación de los comportamientos de dicha mecánica.

Y es que estos simuladores cuánticos se rigen por las leyes de la mecánica cuántica, que gobierna a las moléculas, a los átomos y las partículas subatómicas, al contrario que las máquinas comunes, regidas por las leyes físicas de la mecánica clásica, que gobierna el movimiento de los objetos cotidianos.

El año pasado, los físicos Andrew Cleland y John Martinis, de la Universidad de California en Santa Bárbara (UCSB), Estados Unidos, lograron diseñar un simulador cuántico (un pequeño objeto de metal semiconductor con forma de pala o remo, visible al ojo humano), que se movía con un ritmo cuántico.

Este avance recibió el reconocimiento, por parte de la prestigiosa revista Science, de mejor descubrimiento del año en 2010, según informó entonces la plataforma SINC.

Una disipación provechosa

Recientemente, ha habido otro avance en este mismo terreno: científicos del Instituto de Física Experimental y Física Teórica de la Universidad de Innsbruck, en Austria, en colaboración con investigadores del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica (IQOQI), de la Academia Austriaca de las Ciencias, han desarrollado un mecanismo que servirá para crear simuladores cuánticos de sistema abierto, es decir, simuladores que además de regirse por las leyes de la mecánica cuántica, serán capaces de interactuar con su entorno.

Según se explica en un comunicado del IQOQI, para alcanzar este logro, los físicos aprovecharon un elemento natural que, normalmente, se intenta evitar al máximo en investigación cuántica: las perturbaciones ambientales.

Estas perturbaciones suelen ocasionar que la información de los sistemas cuánticos se pierda, así como que se destruyan ciertos efectos cuánticos muy frágiles, como el entrelazamiento cuántico o las interferencias cuánticas, que se producen cuando una partícula subatómica puede tomar más de un camino.

En física, este proceso destructivo originado por las perturbaciones se conoce como disipación. Los investigadores de la Universidad de Innsbruck, dirigidos por los físicos experimentales Julio Barreiro y Philipp Schindler, y por el físico teórico Markus Müller, aprovecharon sin embargo este mismo proceso: utilizaron la disipación en un sistema cuántico de iones para su propio beneficio.

Según explica Julio Barrero, con este simulador se ha conseguido: “no sólo controlar los estados internos del sistema cuántico, formado por más de cuatro iones, sino también que este sistema se acople a su entorno”.

En la presente investigación, se utilizó un ión adicional que interactúo con el sistema cuántico y que, al mismo tiempo, estableció un contacto controlado con el entorno. El resultado fue el siguiente: aprovechando la disipación, los investigadores fueron capaces de generar e intensificar los efectos cuánticos (como el entrelazamiento) en el propio sistema. Esto lo lograron “controlando el entorno perturbado”, afirma Markus Müller.

Conocer a fondo la materia

En uno de sus experimentos, los investigadores demostraron el control de la dinámica disipativa mediante el entrelazamiento de cuatro iones, por medio del uso de un ión ambiental. “Al contrario que en otros procedimientos comunes, esto funcionó incluso independientemente del estado inicial de cada partícula”, añade Müller.

El uso provechoso del entorno permite la ejecución de nuevos tipos de dinámicas cuánticas, así como la investigación en sistemas a los que hasta ahora no se había tenido un acceso experimental. En los últimos años, se había pensado continuamente acerca de cómo la disipación, en lugar de ser suprimida, podría aprovecharse como recurso para la fabricación de ordenadores cuánticos y de memorias cuánticas.

Los físicos teóricos y experimentales de la Universidad de Inssbruck han colaborado estrechamente para conseguir por vez primera introducir los efectos disipativos en un simulador cuántico.

La fabricación de este tipo de dispositivos podría servir para crear otros dispositivos experimentales, con los que estudiar la naturaleza cuántica de la materia. El conocimiento que nos aporten podría llegar a modificar nuestra concepción de la realidad, según Science.