16.05.2022 - Universität Innsbruck

Cuando las partículas cuánticas vuelan como abejas

Un simulador cuántico permite comprender la dinámica de los sistemas cuánticos complejos

Un sistema cuántico formado por sólo 51 átomos cargados puede adoptar más de dos cuatrillones de estados diferentes. Calcular el comportamiento del sistema es un juego de niños para un simulador cuántico. Sin embargo, incluso con los superordenadores actuales es casi imposible verificar el resultado. Un equipo de investigación de la Universidad de Innsbruck y la Universidad Técnica de Múnich (TUM) ha demostrado ahora cómo se pueden describir estos sistemas utilizando ecuaciones del siglo XVIII.

A primera vista, un sistema formado por 51 iones puede parecer sencillo. Pero aunque estos átomos cargados sólo puedan asumir dos estados diferentes, habrá más de dos cuatrillones (1015) de configuraciones distintas que el sistema puede realizar.

Por tanto, el comportamiento de un sistema de este tipo difícilmente puede calcularse con los ordenadores convencionales. Sobre todo porque una vez que se ha introducido una excitación en el sistema, ésta puede propagarse a pasos agigantados. Sigue una estadística conocida como vuelo de Lévy.

Una característica del movimiento de una partícula cuántica de este tipo es que, además de los saltos más pequeños, también se producen saltos significativamente mayores. Este fenómeno también puede observarse en el vuelo de las abejas y en los inusuales movimientos feroces de la bolsa.

Simulación de la dinámica cuántica: Un problema clásicamente difícil

Mientras que simular la dinámica de un sistema cuántico complejo es un problema muy difícil incluso para los superordenadores, la tarea es pan comido para los simuladores cuánticos. Pero, ¿cómo se pueden comprobar los resultados de un simulador cuántico si no se pueden recalcular?

Las predicciones teóricas sugerían que podría ser posible representar al menos el comportamiento a largo plazo de esos sistemas con ecuaciones como las que desarrollaron los hermanos Bernoulli en el siglo XVIII para describir el comportamiento de los fluidos.

Para probar esta hipótesis, el equipo de investigación utilizó un sistema cuántico que simula la dinámica de los imanes cuánticos. Con ello pudieron demostrar que, tras un régimen inicial en el que dominan los efectos mecánico-cuánticos, el sistema puede describirse con ecuaciones conocidas de la dinámica de fluidos.

Además, demostraron que la misma estadística de vuelo de Lévy que describe las estrategias de búsqueda de las abejas también describe la dinámica de fluidos en este sistema cuántico.

Iones atrapados como plataforma para simulaciones controladas

El simulador cuántico se construyó en el Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica (IQOQI) de la Academia Austriaca de Ciencias, en el campus de la Universidad de Innsbruck (Austria). "Nuestro sistema simula eficazmente un imán cuántico representando los polos norte y sur de un imán elemental mediante dos niveles de energía de los iones", explica Manoj Joshi, científico del IQOQI de Innsbruck.

"Nuestro mayor avance técnico fue que conseguimos controlar individualmente cada uno de los 51 iones", observa Manoj Joshi. "Como resultado, pudimos investigar la dinámica de diferentes estados iniciales, lo que era necesario para demostrar la aparición de la dinámica de fluidos".

"Aunque el número de qubits y la estabilidad de los estados cuánticos son todavía muy limitados en la actualidad, hay problemas para los que ya podemos utilizar la enorme potencia de cálculo de los simuladores cuánticos", afirma Michael Knap, profesor de Dinámica Cuántica Colectiva de la Universidad Técnica de Múnich.

"Los simuladores cuánticos y los ordenadores cuánticos a corto plazo serán plataformas ideales para explorar la dinámica de los sistemas cuánticos complejos", explica Michael Knap. "Ahora sabemos que, a partir de un determinado momento, estos sistemas siguen las leyes de la dinámica de fluidos clásica. Cualquier desviación fuerte de eso es una indicación de que el simulador no está funcionando correctamente".

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