Los simuladores cuánticos permiten el estudio de sistemas cuánticos que son difíciles de estudiar en el laboratorio e imposibles de modelar con una supercomputadora . En este caso, los simuladores son dispositivos de propósito especial diseñados para proporcionar información sobre problemas físicos específicos . [1] [2] [3] Los simuladores cuánticos pueden contrastarse con las computadoras cuánticas "digitales" generalmente programables , que serían capaces de resolver una clase más amplia de problemas cuánticos.
Un simulador cuántico universal es una computadora cuántica propuesta por Yuri Manin en 1980 [4] y Richard Feynman en 1982. [5] Feynman demostró que una máquina de Turing clásica no podría simular un efecto cuántico, mientras que su hipotética computadora cuántica universal sí lo haría. ser capaz de imitar el efecto cuántico necesario. [5] [6]
Un sistema cuántico de muchas partículas podría simularse mediante una computadora cuántica utilizando una cantidad de bits cuánticos similar a la cantidad de partículas del sistema original. [5] Esto se ha extendido a clases mucho más grandes de sistemas cuánticos. [7] [8] [9] [10]
Los simuladores cuánticos se han realizado en varias plataformas experimentales, incluidos sistemas de gases cuánticos ultrafríos , moléculas polares, iones atrapados, sistemas fotónicos, puntos cuánticos y circuitos superconductores. [11]
Resolver problemas de física
Muchos problemas importantes de la física, especialmente la física de bajas temperaturas y la física de muchos cuerpos , siguen siendo poco conocidos porque la mecánica cuántica subyacente es enormemente compleja. Las computadoras convencionales, incluidas las supercomputadoras, son inadecuadas para simular sistemas cuánticos con tan solo 30 partículas. Se necesitan mejores herramientas computacionales para comprender y diseñar racionalmente materiales cuyas propiedades se cree que dependen del comportamiento cuántico colectivo de cientos de partículas. [2] [3] Los simuladores cuánticos proporcionan una ruta alternativa para comprender las propiedades de estos sistemas. Estos simuladores crean realizaciones limpias de sistemas específicos de interés, lo que permite realizaciones precisas de sus propiedades. El control preciso y la amplia capacidad de sintonización de los parámetros del sistema permiten desenredar limpiamente la influencia de varios parámetros.
Los simuladores cuánticos pueden resolver problemas que son difíciles de simular en computadoras clásicas porque explotan directamente las propiedades cuánticas de partículas reales. En particular, explotan una propiedad de la mecánica cuántica llamada superposición , en la que se hace que una partícula cuántica esté en dos estados distintos al mismo tiempo, por ejemplo, alineada y anti-alineada con un campo magnético externo. Fundamentalmente, los simuladores también aprovechan una segunda propiedad cuántica llamada entrelazamiento , lo que permite correlacionar el comportamiento incluso de partículas físicamente bien separadas. [2] [3] [12]
Simuladores de iones atrapados
Un simulador de iones atrapados , construido por un equipo que incluyó el NIST y reportado en abril de 2012, puede diseñar y controlar interacciones entre cientos de bits cuánticos (qubits). Los esfuerzos anteriores no pudieron ir más allá de los 30 bits cuánticos. Como se describe en la revista científica Nature , la capacidad de este simulador es 10 veces más que los dispositivos anteriores. Además, ha pasado una serie de importantes pruebas de evaluación comparativa que indican la capacidad de resolver problemas en la ciencia de los materiales que son imposibles de modelar en computadoras convencionales.
El simulador de iones atrapados consiste en un diminuto cristal de un solo plano de cientos de iones de berilio , de menos de 1 milímetro de diámetro, flotando dentro de un dispositivo llamado trampa Penning . El electrón más externo de cada ion actúa como un pequeño imán cuántico y se utiliza como un qubit, el equivalente cuántico de un "1" o un "0" en una computadora convencional. En el experimento de evaluación comparativa, los físicos utilizaron rayos láser para enfriar los iones hasta casi el cero absoluto. Los pulsos de microondas y láser cuidadosamente cronometrados hicieron que los qubits interactuaran, imitando el comportamiento cuántico de materiales que de otro modo serían muy difíciles de estudiar en el laboratorio. Aunque los dos sistemas pueden parecer diferentes en apariencia, su comportamiento está diseñado para ser matemáticamente idéntico. De esta manera, los simuladores permiten a los investigadores variar parámetros que no se pueden cambiar en sólidos naturales, como el espaciado y la geometría de la red atómica .
Friedenauer et al., Manipularon adiabáticamente 2 espines, mostrando su separación en estados ferromagnéticos y antiferromagnéticos. [13] Kim et al., Extendieron el simulador cuántico de iones atrapados a 3 espines, con interacciones Ising antiferromagnéticas globales que muestran frustración y muestran el vínculo entre frustración y entrelazamiento [14] e Islam et al., Usaron simulación cuántica adiabática para demostrar el afilado de una transición de fase entre el orden paramagnético y ferromagnético a medida que el número de espines aumentó de 2 a 9. [15] Barreiro et al. creó un simulador cuántico digital de espines interactivos con hasta 5 iones atrapados mediante el acoplamiento a un depósito abierto [16] y Lanyon et al. simulación cuántica digital demostrada con hasta 6 iones. [17] Islam, et al., Demostraron simulación cuántica adiabática del modelo de Ising transversal con interacciones de rango variable (largo) con hasta 18 espines de iones atrapados, mostrando el control del nivel de frustración de espín ajustando el rango de interacción antiferromagnética. [18] Britton y col. del NIST ha comparado experimentalmente las interacciones de Ising en un sistema de cientos de qubits para estudios de magnetismo cuántico. [19] Pagano, et al., Informaron sobre un nuevo sistema de captura de iones criogénico diseñado para el almacenamiento prolongado de grandes cadenas de iones que demuestran operaciones coherentes de uno y dos qubit para cadenas de hasta 44 iones. [20]
Simuladores de átomos ultrafríos
Muchos experimentos con átomos ultrafríos son ejemplos de simuladores cuánticos. Estos incluyen experimentos que estudian bosones o fermiones en redes ópticas , el gas unitario de Fermi, matrices de átomos de Rydberg en pinzas ópticas . Un hilo común para estos experimentos es la capacidad de realizar hamiltonianos genéricos, como el de Hubbard o el ising hamiltoniano de campo transversal . Los principales objetivos de estos experimentos incluyen la identificación de fases de baja temperatura o el seguimiento de la dinámica fuera de equilibrio para varios modelos, problemas que son teórica y numéricamente intratables. [21] [22] Otros experimentos han realizado modelos de materia condensada en regímenes que son difíciles o imposibles de realizar con materiales convencionales, como el modelo Haldane y el modelo Harper-Hofstadter . [23] [24] [25] [26] [27]
Qubits superconductores
Los simuladores cuánticos que utilizan qubits superconductores se dividen en dos categorías principales. Primero, los llamados templadores cuánticos determinan los estados fundamentales de ciertos hamiltonianos después de una rampa adiabática. Este enfoque a veces se denomina computación cuántica adiabática . En segundo lugar, muchos sistemas emulan a hamiltonianos específicos y estudian sus propiedades del estado fundamental, las transiciones de fase cuántica o la dinámica del tiempo. [28] Varios resultados recientes importantes incluyen la realización de un aislante Mott en un sistema Bose-Hubbard conducido-disipativo y estudios de transiciones de fase en celosías de resonadores superconductores acoplados a qubits. [29] [30]
Ver también
- Simulación hamiltoniana
- Máquina cuántica de Turing
- Computación cuántica
Referencias
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enlaces externos
- Artículo de Deutsch de 1985
- Simulador de computadora cuántica en línea basado en la web (Universidad de Patras, Laboratorio de comunicaciones por cable)