Computadoras Cuánticas Logran Predecir el Comportamiento de 50 Átomos

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Cuando 50 átomos interactúan entre sí, las acciones de uno afectan inevitablemente al resto. Líneas invisibles de fuerza –denominadas magnetismo cuántico– producen un efecto en cadena. Si bien es un mundo diminuto, está lleno de matices y sutilezas. Tantas, que nuestras computadoras tradicionales son incapaces de documentar.

El problema no radica en que las máquinas que utilizamos carezcan de la potencia suficiente, de hecho, si fueran hasta 20 átomos un simple notebook podría predecir lo que ocurriría entre ellos. No obstante, en la medida en que se incrementa el número de átomos hasta llegar a 50, determinar el comportamiento de su interacción resulta algo demasiado complejo y difícil para un computador tradicional, por más potente que este sea, convirtiéndose en un problema irresoluble hasta ahora. Hasta la más avanzada computadora que se haya construido jamás, se perdería en la inmensa cantidad de cálculos entretejidos como un laberinto sin salida.

Solución Cuántica

Dos laboratorios, uno en la Universidad de Harvard y otro en la Universidad de Maryland (UMD), ambos en EE.UU, diseñaron máquinas que pueden simular el magnetismo cuántico a la escala de 50 átomos.

Sus resultados, publicados el 29 de noviembre de 2017 en la revista Nature, demostraron las capacidades de dos computadoras cuánticas especiales, las cuales fueron mucho más allá de lo que cualquier otra máquina había llegado hasta hoy.

Computadoras cuánticas

La computación cuántica es un paradigma de la computación distinto al de la computación clásica. Se basa en el uso de cúbits en lugar de bits, y da lugar a nuevas puertas lógicas que hacen posibles nuevos algoritmos. Foto: Pixabay.com

Tareas más específicas

Respecto de la máquina en su laboratorio, Mikhail Lukin, uno de los líderes del equipo de Harvard, dijo al portal web Live Science que “básicamente es un simulador cuántico”. Eso significa que la computadora está concebida para una tarea en específico: estudiar la evolución de los sistemas cuánticos. La misma no desencriptará códigos de bancos de datos, ni llevará a cabo otras funciones para las que están generalmente diseñadas el resto de computadoras cuánticas.

En contraste, los ordenadores desarrollados en Harvard y la UMD son excelentes para resolver un tipo particular de problema: determinar el movimiento y evolución de un sistema cuántico, partiendo de un estado concreto de los átomos.

Estos esfuerzos por dar respuestas a dichas cuestiones (movimiento y evolución), buscan conseguir nuevos descubrimientos en el ámbito de la física, permitiendo además crear computadoras más potentes y que realicen actividades aún más complejas e impresionantes.

Dos máquinas parecidas pero diferentes

Los simuladores cuánticos de Maryland y Harvard son similares en muchos aspectos. Ambos resuelven los mismos tipos de problemas. Usan átomos individuales como cúbits –las unidades fundamentales de las computadoras cuánticas– y emplean costosos láseres y cámaras de vacío. Aunque no son del todo iguales.

En Maryland, los cúbits están formados por iones (átomos con carga eléctrica) de iterbio, un metal blanco plateado blando. Los investigadores juntaron 53 de estos átomos en un mismo lugar y utilizando pequeños electrodos crearon campos magnéticos en un vacío mucho mayor al del Espacio exterior. Después, los golpearon con un láser de forma tal que fueron enfriados al punto de quedar casi inmóviles.

Los cúbits de la UMD almacenaron su información en el interior del átomo como spin states (estados de spín) –características mecánicas cuánticas especiales de partículas pequeñas.

“Los bits cuánticos (cúbits) contienen toda su información siempre y cuando permanezcan aislados”, comentó Christopher Monroe, quien dirigió el equipo de Maryland, a Live Science.

Los campos magnéticos anclan los átomos en un solo sitio sin tocarlos, por lo que la información se mantiene intacta.

Una vez que Monroe y su equipo tenían los iones donde querían, los movieron nuevamente usando láseres. Sin embargo, esto tuvo un efecto peculiar.

“Aplicamos una fuerza a los átomos que los movió de diferentes maneras, dependiendo del estado de rotación del cúbit”.

No obstante, debido a que el estado del cúbit era algo desconocido, las peculiares leyes de la mecánica cuántica hicieron que los átomos se movieran en más de una dirección a la vez. Acto seguido, las pequeñas partículas se convirtieron en imanes cuánticos bastante grandes que interactuaban entre sí.

El Simulador de Harvard

Por otro lado, el simulador de Harvard no funciona con iones o electrodos.

“En nuestro caso tenemos cerca de 100 rayos láser individuales, fuertemente enfocados, dirigidos a una celda de vacío”, dijo Lukin. “Dentro de la celda hay un vapor muy delgado de átomos de rubidio”.

Como si fueran finas pinzas ópticas, esos láseres separan átomos individuales del vapor y los ubican en un lugar específico. Además, permiten que el equipo ajuste con exactitud el dispositivo, ya que organiza los átomos con la configuración exacta que desean probar antes de comenzar una simulación.

Una vez que todos los átomos son configurados en el espacio y todo el sistema se enfría hasta el cero casi absoluto, la máquina vuelve a golpear los átomos con láser. Sin embargo, estos láseres no mueven ni enfrían los átomos, en cambio, hacen que se exciten y entren en algo denominado como estado Rydberg.

Cada átomo tiene electrones orbitando a su alrededor, pero generalmente esos electrones permanecen confinados en órbitas estrechas. En el estado Rydberg, los electrones oscilan cada vez más lejos del núcleo de los átomos, entrecruzándose con los demás átomos de la simulación. Todos estos átomos altamente excitados, de repente empiezan a compartir el mismo espacio y, al igual que la máquina de Maryland, interactúan unos con otros como imanes cuánticos, fenómeno que pudo ser observados por los científicos.

El Objetivo de la Investigación

Si bien un simulador cuántico de 50 cúbits parece algo interesante, no es especialmente útil. Monroe afirmó que el próximo paso en su laboratorio sería crear equipos capaces de simular más de 50 cúbits conectados en una misma red, prediciendo así eventos cuánticos de mayor complejidad.

También habló sobre los cúbits atómicos, desarrollo que servirá de base para que futuros equipos hagan nuevos experimentos.

“Lo bueno de los cúbits atómicos es que son perfectos”, dijo.

A diferencia de los cúbits más grandes en “estado sólido”, impresos en chips en los laboratorios de Google e IBM, un cúbit atómico conservará su información siempre que este no sea alterado.

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Imagen que muestra un chip capaz de procesar cálculos cuánticos. Foto: Wikimedia.org

El desafío para los investigadores como Monroe y Lukin será construir láseres y cámaras de vacío que sean lo suficientemente precisas como para que no perturben un creciente número de cúbits en sus experimentos.

Fuentes: LiveScience.com, Nature.com

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