Computación cuántica: Un paso adelante con centros de espín

RIVERSIDE, California.— La computación cuántica, que utiliza las leyes de la mecánica cuántica, puede resolver problemas apremiantes en una amplia gama de campos, desde la medicina hasta el aprendizaje automático, que son demasiado complejos para las computadoras clásicas. Los simuladores cuánticos son dispositivos hechos de unidades cuánticas que interactúan y pueden programarse para simular modelos complejos del mundo físico. Los científicos pueden luego obtener información sobre estos modelos y, por extensión, sobre el mundo real, variando las interacciones de manera controlada y midiendo el comportamiento resultante de los simuladores cuánticos.  

En un artículo publicado en Physical Review B, un equipo de investigación dirigido por UC Riverside ha propuesto una cadena de objetos magnéticos cuánticos, llamados centros de espín, que, en presencia de un campo magnético externo, pueden simular cuánticamente una variedad de fases magnéticas de la materia, así como las transiciones entre estas fases.

“Estamos diseñando nuevos dispositivos que albergan los centros de espín y pueden usarse para simular y aprender sobre fenómenos físicos interesantes que no se pueden estudiar completamente con las computadoras clásicas”, dijo Shan-Wen Tsai, profesor de física y astronomía, quien dirigió el equipo de investigación. “Los centros de espín en materiales de estado sólido son objetos cuánticos localizados con un gran potencial sin explotar para el diseño de nuevos simuladores cuánticos”.

Según Troy Losey, estudiante de posgrado de Tsai y primer autor del artículo, los avances con estos dispositivos podrían hacer posible estudiar formas más eficientes de almacenar y transferir información, al mismo tiempo que se desarrollan los métodos necesarios para crear computadoras cuánticas a temperatura ambiente.

“Tenemos muchas ideas sobre cómo mejorar los simuladores cuánticos basados en centros de espín en comparación con este dispositivo inicial propuesto”, dijo. “Emplear estas nuevas ideas y considerar arreglos más complejos de centros de espín podría ayudar a crear simuladores cuánticos que sean fáciles de construir y operar, al mismo tiempo que pueden simular física novedosa y significativa”.

A continuación, Tsai y Losey responden un par de preguntas sobre la investigación:

P: ¿Qué es un simulador cuántico?

Tsai: Es un dispositivo que explota los comportamientos inusuales de la mecánica cuántica para simular física interesante que es demasiado difícil de calcular para una computadora normal. A diferencia de las computadoras cuánticas que operan con qubits y operaciones de puerta universales, los simuladores cuánticos están diseñados individualmente para simular/resolver problemas específicos. Al compensar la programabilidad universal de las computadoras cuánticas a favor de explotar la riqueza de las diferentes interacciones cuánticas y arreglos geométricos, los simuladores cuánticos pueden ser más fáciles de implementar y proporcionar nuevas aplicaciones para dispositivos cuánticos, lo cual es relevante porque las computadoras cuánticas aún no son universalmente útiles.

Un centro de espín es un objeto magnético cuántico de tamaño aproximadamente atómico que puede colocarse en un cristal. Puede almacenar información cuántica, comunicarse con otros centros de espín y controlarse con láseres. 

P: ¿Cuáles son algunas aplicaciones de este trabajo?

Losey: Podemos construir el simulador cuántico propuesto para simular fases magnéticas exóticas de la materia y las transiciones de fase entre ellas. Estas transiciones de fase son de gran interés porque en estas transiciones los comportamientos de sistemas muy diferentes se vuelven idénticos, lo que implica que hay fenómenos físicos subyacentes que conectan estos diferentes sistemas. 

Las técnicas utilizadas para construir este dispositivo también pueden utilizarse para computadoras cuánticas basadas en centros de espín, que son uno de los principales candidatos para el desarrollo de computadoras cuánticas a temperatura ambiente, mientras que la mayoría de las computadoras cuánticas requieren temperaturas extremadamente frías para funcionar. Además, nuestro dispositivo asume que los centros de espín están colocados en línea recta, pero es posible colocar los centros de espín en arreglos de hasta 3 dimensiones. Esto podría permitir el estudio de dispositivos de información basados en espín que sean más eficientes que los métodos que utilizan actualmente las computadoras.

Como los simuladores cuánticos son más fáciles de construir y operar que las computadoras cuánticas, actualmente podemos utilizar simuladores cuánticos para resolver ciertos problemas que las computadoras normales no tienen la capacidad de abordar, mientras esperamos que las computadoras cuánticas se refinen más. Sin embargo, esto no significa que los simuladores cuánticos puedan construirse sin desafíos, ya que solo ahora nos estamos acercando a ser lo suficientemente buenos en la manipulación de centros de espín, el crecimiento de cristales puros y el trabajo a bajas temperaturas para construir el simulador cuántico que proponemos.

La Universidad de California, Riverside es una universidad de investigación doctoral, un laboratorio viviente para la exploración innovadora de temas críticos para el sur de California, el estado y las comunidades de todo el mundo. Reflejando la cultura diversa de California, la matrícula de la UCR es de más de 26,000 estudiantes. El campus abrió una facultad de medicina en 2013 y ha llegado al corazón del valle de Coachella a través del UCR Palm Desert Center. El campus tiene un impacto anual de más de $ 2.7 mil millones en la economía de los Estados Unidos. Para obtener más información, visite www.ucr.edu.