24/02/2011 - Primer simulador cuántico que trabaja acoplado al medio ambiente

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En una primicia internacional, físicos cuánticos austriacos han fabricado una herramienta para producir piezas elementales para la construcción de un simulador cuántico de sistema abierto, que utiliza  un acoplamiento controlado al medio ambiente de forma beneficiosa. Esto ofrece nuevas oportunidades para el estudio del comportamiento de los complejos sistemas cuánticos.

Los investigadores han publicado su trabajo en Nature. Muchos fenómenos en nuestro mundo están basados en la naturaleza de la física cuántica: la estructura de los átomos y moléculas, reacciones químicias, propiedades materiales, magnetismo y posiblemente también ciertos procesos biológicos.

Como la complejidad de los fenómenos se incrementa exponencialmente con más partículas cuánticas involucradas, un estudio detallado de estos sistemas complejos alcanza sus límites rápidamente, y los ordenadores convencionales fracasan cuando tratan de realizar cálculos sobre estos problemas.

Para resolver estas dificultades, físicos han desarrollado simuladores cuánticos sobre varias plataformas, tales como átomos neutros, iones o sistemas en estado sólido, que, de forma similar a los ordenadores cuánticos, utilizan la particular naturaleza de la física cuántica para controlar esta complejidad.

En lo que supone otrpo hito en este campo, un equipo de jóvenes científicos pertenecientes a los grupos de investigación de Rainer Blatt y Peter Zoller, del Instituto de Física Experimental y Física Teórica de la Universidad de Inssbruck y del Insttituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica de la Academia Austriaca de Ciencias, han sido los primeros en diseñar una herramienta completa  para un ordenador cuántico de sistema abierto, que capacitará a los investigadores para construir simuladores cuánticos más sofisticados para la investigación de problemas complejos en física cuántica.

UTILIZAR LA DISIPACIÓN CONTROLADA

Los físicos usan un fenómeno natural en sus experimentos que habitualmente tratan de minimizar tanto como sea posible: las perturbaciones ambientales. Tales perturbaciones causan habitualmente pérdida de información en los sistemas cuánticos y destruyen frágiles efectos cuánticos tales como el entrelazamiento o las interferencias. En Física este proceso de deterioro se denominada disipación. Los investigadores de Inssbruck, dirigidos por los físicos Julio Barreiro y Phillip Schindlerasi como el téorico Markus Müller, han sido los primeros en usar la disispación en un simulador cuántico con iones atrapados de forma beneficiosa  y el acoplamiento de sistema de ingeniería y de medio ambiente de forma experimental.

"No solo controlamos todos los estados internos del sistema cuántico consistentes en más de cuatro iones sino también el acoplamiento con el medio ambiente", explica Julio Barreiro. "En nuestro experimento utilizamos un ion adicional que interactúa con el sistema cuántico y,  al mismo tiempo, establece un contacto controlado con el medio ambiente", explica Philipp    Schindler. El sorprendernte resultado es que mediante el uso de la disipación, los investigadores son capaces de generar e intensificar efectos cuánticos,  tales como el entrelazamiento en el sistema. "Conseguimos esto controlando el entorno perturbador" explica un emocionado Müller.

PONER EL MUNDO CUÁNTICO EN ORDEN

En uno de sus experimentos, los investigadores demuestran el control de la dinámica de disipación mediante mediante enredo de cuatro iones utilizando el ion del medio ambiente. "Al contrario de otros procedimientos comunes esto también funciona independientemente del estado inicial de cada partícula", explica Múller. "A través de un proceso de enfiramiento colectivo, las partículas son dirigidas a un estado común". Este procedimiento también puede ser usado para preparar muchos otros estados de los cuerpos, que de otra forma podrían ser creados y observados solamente en un sistema cuántico extremadamente aislado.

El uso beneficioso de un entorno ambiental permite la realización de nuevos tipos de dinámica cuántica y la investigación de sistemas que han sido difícilmente accesibles para la experimentación hasta ahora. En los últimos años se ha pensado continuamente de qué manera la disipación, en lugar de ser suprimida, podría ser aprovechada como recurso para la construcción de ordenadores y memorias cuánticas. Los físicos teóricos y experimentales de Inssbruck cooperaron estrechamente

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