Por Troy Oakes
Aprimera 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. Esto requiere el uso de simuladores cuánticos.
Por tanto, el comportamiento de un sistema de este tipo difícilmente puede calcularse con ordenadores convencionales. Sobre todo porque, una vez introducida 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 comprobar los resultados de un simulador cuántico si no se pueden recalcular?
Las predicciones teóricas sugieren que podría ser posible representar al menos el comportamiento a largo plazo de estos sistemas con ecuaciones como las desarrolladas por 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. En el estudio publicado en Science, lograron demostrar que, tras un régimen inicial en el que dominan los efectos de la mecánica cuántica, 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.
Atrapados como plataforma para simulaciones cuánticas 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).
Manoj Joshi, del equipo de Christian Roos, dijo:
«Nuestro sistema simula eficazmente un imán cuántico al representar los polos norte y sur de un imán elemental mediante dos niveles de energía de los iones.
Nuestro mayor avance técnico fue que conseguimos controlar cada uno de los 51 iones individualmente. Como resultado, pudimos investigar la dinámica de diferentes estados iniciales, lo que era necesario para demostrar la aparición de la dinámica de fluidos.»
Por su parte, Michael Knap, catedrático de Dinámica Cuántica Colectiva de la Universidad Técnica de Múnich, dijo:
«Aunque el número de qubits y la estabilidad de los estados cuánticos son todavía muy limitados, hay problemas para los que ya podemos utilizar la enorme potencia de cálculo de los simuladores cuánticos.
Los simuladores cuánticos y los ordenadores cuánticos a corto plazo serán plataformas ideales para explorar la dinámica de los sistemas cuánticos complejos.
Ahora sabemos que, a partir de cierto momento, estos sistemas siguen las leyes de la dinámica clásica de los fluidos. Cualquier desviación fuerte de eso es una indicación de que el simulador no está funcionando correctamente».
