Simulador cuántico de Hubbard fermiónico revela transición de fase antiferromagnética

En un estudio publicado en línea en Nature, un equipo de investigación dirigido por el Prof. PAN Jianwei, el Prof. CHEN Yuao y el Prof. YAO Xingcan de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC) de la Academia China de Ciencias ha observado, por primera vez, la transición de fase antiferromagnética dentro de un simulador cuántico a gran escala del modelo de Hubbard fermiónico (FHM). Este estudio destaca las ventajas de la simulación cuántica. Marca un primer paso importante hacia la obtención del diagrama de fase de baja temperatura del FHM y la comprensión del papel del magnetismo cuántico en el mecanismo de la superconductividad de alta temperatura.

Los materiales cuánticos fuertemente correlacionados, como los superconductores de alta temperatura, son de importancia científica y tienen posibles beneficios económicos. Sin embargo, los mecanismos físicos que subyacen a estos materiales aún no están claros, lo que plantea desafíos para su preparación y aplicación a gran escala. El FHM, una representación simplificada del comportamiento de los electrones en una red, captura una amplia gama de física relacionada con las fuertes correlaciones, similar a las que se observan en los materiales cuánticos, y por lo tanto se cree que puede ofrecer soluciones para comprender el mecanismo de la superconductividad de alta temperatura.

El estudio del FHM se enfrenta a desafíos. No existe una solución analítica exacta para este modelo en dos y tres dimensiones, y debido a la alta complejidad computacional, incluso los métodos numéricos más avanzados sólo pueden explorar espacios de parámetros limitados. Además, los estudios teóricos sugieren que incluso una computadora cuántica digital universal tendría dificultades para resolver este modelo con precisión.

Se considera ampliamente que la simulación cuántica, que emplea átomos fermiónicos ultrafríos en redes ópticas, puede ser la clave para trazar el diagrama de fase de baja temperatura del FHM. Para ello, la realización de la transición de fase antiferromagnética y el alcance del estado fundamental del FHM a la mitad del llenado constituyen los primeros pasos. Tal logro validaría dos capacidades clave del simulador cuántico: el establecimiento de una red óptica a gran escala y espacialmente homogénea para parámetros de Hubbard uniformes, y el mantenimiento de una temperatura del sistema significativamente por debajo de la temperatura de Néel, la temperatura de transición de fase antiferromagnética, ambas esenciales para explorar el papel de las fluctuaciones magnéticas cuánticas en el mecanismo de la superconductividad de alta temperatura.

Sin embargo, la dificultad de enfriar los átomos fermiónicos y la inhomogeneidad introducida por un láser de red de perfil gaussiano estándar han obstaculizado la realización de la transición de fase antiferromagnética en experimentos de simulación cuántica anteriores. Para abordar estos desafíos, el equipo, basándose en sus logros anteriores de la preparación e investigación de gases de Fermi fuertemente interactuantes homogéneos en un potencial de caja (Science, Nature), desarrolló un simulador cuántico avanzado combinando la generación de un gas de Fermi homogéneo de baja temperatura en una trampa de caja con la demostración de una red óptica de parte superior plana con potenciales de sitio uniformes.

Este simulador cuántico contiene aproximadamente 800.000 sitios de red, unas cuatro órdenes de magnitud más grandes que los experimentos actuales con varias docenas de sitios, y presenta parámetros hamiltonianos uniformes con temperaturas significativamente por debajo de la temperatura de Néel. Aprovechando esta configuración, el equipo ajustó con precisión la fuerza de interacción, la temperatura y la concentración de dopaje para acercarse a sus respectivos valores críticos, y observó directamente evidencia concluyente de la transición de fase antiferromagnética, es decir, la divergencia de la ley de potencia de los factores de estructura de espín, con un exponente crítico de 1,396 desde la universalidad de Heisenberg.

Este trabajo avanza la comprensión del magnetismo cuántico y sienta las bases para resolver aún más el FHM y obtener su diagrama de fase de baja temperatura. Cabe destacar que los resultados experimentales que se desvían de la condición de medio llenado ya han superado las capacidades de la informática clásica actual, lo que demuestra las ventajas de la simulación cuántica para abordar problemas científicos clave.