computación cuántica
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| Anillos borromeos representados en una iglesia en Florencia, Italia. Si se quita cualquiera de los tres anillos, los otros dos ya no están unidos. Fuente: Rafael Salzedo/Alamy |
Partículas exóticas llamadas nonabeliones podrían solucionar el problema de error de las computadoras cuánticas.
12 mayo 2023.- El escudo de armas de la aristocrática Casa de Borromeo de Italia contiene un símbolo inquietante: una disposición de tres anillos entrelazados que no se pueden separar pero que no contienen pares enlazados.
Ese mismo vínculo de tres vías es una firma inequívoca de uno de los fenómenos más codiciados de la física cuántica, y ahora se ha observado por primera vez. Los investigadores han utilizado una computadora cuántica para crear partículas virtuales y moverlas para que sus caminos formen un patrón de anillo borromeo.
Las partículas exóticas se denominan anyones no abelianos, o nonabeliones para abreviar, y sus anillos borromeos existen solo como información dentro de la computadora cuántica. Pero sus propiedades de enlace podrían ayudar a que las computadoras cuánticas sean menos propensas a errores o más "tolerantes a fallas", un paso clave para que superen incluso a las mejores computadoras convencionales. Los resultados, revelados en una preimpresión el 9 de mayo (1) se obtuvieron en una máquina en Quantinuum, una empresa de computación cuántica en Broomfield, Colorado, que se formó como resultado de una fusión entre la unidad de computación cuántica de Honeywell y una empresa emergente. empresa con sede en Cambridge, Reino Unido.
Otros investigadores son menos optimistas sobre el potencial de los nonabeliones virtuales para revolucionar la computación cuántica, pero crearlos se considera un logro en sí mismo. “Hay una enorme belleza matemática en este tipo de sistema físico, y es increíble verlos realizados por primera vez, después de mucho tiempo”, dice Steven Simon, físico teórico de la Universidad de Oxford, Reino Unido.
Rosquilla de tejido de canasta
En el experimento, Henrik Dreyer, físico de la oficina de Quantinuum en Múnich, Alemania, y sus colaboradores utilizaron la máquina más avanzada de la empresa, llamada H2, que tiene un chip que puede producir campos eléctricos para atrapar 32 iones del elemento iterbio sobre su superficie. Cada ion puede codificar un qubit, una unidad de computación cuántica que puede ser '0' o '1' como los bits ordinarios, pero también una superposición de ambos estados simultáneamente.
El enfoque de Quantinuum tiene una ventaja: en comparación con la mayoría de los otros tipos de qubit, los iones en su trampa se pueden mover y hacer que interactúen entre sí, que es como las computadoras cuánticas realizan los cálculos.
Los físicos explotaron esta flexibilidad para crear una forma inusualmente compleja de entrelazamiento cuántico, en la que los 32 iones comparten el mismo estado cuántico. Y mediante la ingeniería de esas interacciones, crearon una red virtual de enredo con la estructura de un kagome, un patrón utilizado en la cestería japonesa que se asemeja a la superposición repetida de estrellas de seis puntas, plegada para formar una rosquilla. Los estados entrelazados representaban los estados de energía más baja de un universo 2D virtual, esencialmente, los estados que no contienen partículas en absoluto. Pero con más manipulación, la Kagome puede ponerse en estado de excitación. Estos corresponden a la aparición de partículas que deberían tener las propiedades de los nonabeliones.
Para demostrar que los estados excitados no eran abeliones, el equipo realizó una serie de pruebas. La más concluyente consistió en mover los estados excitados para crear anillos borromeos virtuales. La apariencia del patrón fue confirmada por mediciones del estado de los iones durante y después de la operación.
"No hay dos partículas que se tomen una alrededor de la otra, pero todas juntas están vinculadas", dice Ashvin Vishwanath, físico teórico de la Universidad de Harvard en Cambridge, Massachusetts, y coautor del artículo. "Es realmente un estado asombroso de la materia del que no tenemos una idea muy clara en ninguna otra configuración".
La máquina Quantinuum realmente no crea nonabeliones, sino que simplemente simula algunas de sus propiedades. Pero los autores dicen que el comportamiento de las partículas satisface la definición y que, a efectos prácticos, aún podrían formar una base para la computación cuántica.
Pedigrí cuántico
Al igual que la familia Borromeo, los nonabeliones vienen con una genealogía histórica tanto en física como en matemáticas, incluido el trabajo que ha llevado a varios premios Nobel y medallas Fields . Los nonabeliones son un tipo de anyon, una partícula que solo puede existir en un universo 2D o en situaciones en las que la materia queda atrapada en una superficie 2D, por ejemplo, en la interfaz de dos materiales sólidos.
El anyon desafía una de las suposiciones más preciadas de los físicos: que todas las partículas pertenecen a una de dos categorías, fermiones o bosones. Cuando dos fermiones idénticos cambian de posición, su estado cuántico, llamado función de onda, se invierte 180 grados (en un espacio matemático llamado espacio de Hilbert). Pero cuando se cambian los bosones, su función de onda no cambia.
Cuando se intercambian dos anyones, por otro lado, no se aplica ninguna de estas dos opciones. En cambio, para los anyones 'abelianos' estándar, la función de onda se desplaza en un cierto ángulo, diferente de los 180 grados de los fermiones. Los anyones no abelianos responden cambiando su estado cuántico de una manera más compleja, lo cual es crucial porque debería permitirles realizar cálculos cuánticos que no son abelianos, lo que significa que los cálculos producen resultados diferentes si se realizan en un orden diferente.
Robustez topológica
Los nonabeliones también podrían ofrecer una ventaja sobre la mayoría de las otras formas de hacer computación cuántica. Por lo general, la información en un qubit individual tiende a degradarse rápidamente, produciendo errores, algo que ha limitado el progreso hacia la computación cuántica útil. Los físicos han desarrollado varios esquemas de corrección de errores que requerirían codificar un qubit en el estado cuántico colectivo de muchos átomos, potencialmente miles.
Pero los nonabeliones deberían hacer esa tarea mucho más fácil, porque los caminos que trazan cuando se enlazan entre sí deberían ser resistentes a los errores. Las perturbaciones, como las perturbaciones magnéticas, pueden mover ligeramente los caminos sin cambiar la naturaleza cualitativa de su enlace, llamada topología.
El concepto de nonabeliones y su potencial como 'qubits topológicos' fue propuesto por primera vez hace 20 años por el físico teórico Alexei Kitaev, ahora en el Instituto de Tecnología de California en Pasadena 2 . Los físicos han tenido como objetivo crear estados de la materia que naturalmente contengan nonabeliones y, por lo tanto, puedan servir como plataforma para qubits topológicos. Microsoft ha hecho de los qubits topológicos su enfoque preferido para desarrollar una computadora cuántica.
De ahí que los nonabeliones en la máquina de Quantinuum sean un paso inicial importante.
El enfoque de nonabelion virtual podría ser útil para los cálculos cuánticos, pero queda por ver si será más eficiente que otros esquemas de corrección de errores, algunos de los cuales también están inspirados topológicamente. Los anyones físicos en los que está trabajando Microsoft serían topológicamente robustos listos para usar. Por el momento, aún no está claro qué tan eficientes resultarán ser los nonabeliones en la máquina Quantinuum.
References
1. Iqbal, M. et al. Preprint at https://arxiv.org/abs/2305.03766 (2023).
2. Kitaev, A. Y. Ann. Phys. 303, 2–30 (2003). Artículo
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