Muchos fenómenos en el mundo cuántico no pueden investigarse directamente en el laboratorio, e incluso las supercomputadoras fallan al tratar de simularlos. Sin embargo, los científicos ahora pueden controlar varios sistemas cuánticos en el laboratorio con mucha precisión y estos sistemas pueden usarse para simularotros sistemas cuánticos. Tales simuladores cuánticos, por lo tanto, se consideran una de las primeras aplicaciones concretas de la segunda revolución cuántica.
Sin embargo, la caracterización de grandes estados cuánticos, que es necesaria para guiar el desarrollo de simuladores cuánticos a gran escala, resulta difícil. El estándar de oro actual para la caracterización de estado cuántico en el laboratorio - tomografía de estado cuántico -solo es adecuado para pequeños sistemas cuánticos compuestos por un puñado de partículas cuánticas.Los investigadores del Instituto de Física Experimental de la Universidad de Innsbruck y el Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica de la Academia de Ciencias de Austria han establecido un nuevo método en ellaboratorio que puede usarse para caracterizar eficientemente grandes estados cuánticos.
Un esfuerzo de colaboración
En las trampas de iones, los átomos cargados iones se enfrían a temperaturas cercanas al cero absoluto y se manipulan con la ayuda de láseres. Estos sistemas representan un enfoque prometedor para realizar simulaciones cuánticas que pueden ir más allá de las capacidades de las supercomputadoras modernas. El Quantum de InnsbruckLos físicos se encuentran entre los líderes mundiales en este campo y actualmente pueden enredar 20 o más iones en sus trampas. Para caracterizar completamente estos grandes sistemas cuánticos, necesitan nuevos métodos. Para esto, los teóricos de Martin Plenio de la Universidad de Ulm, Alemania, vinieron en su ayuda. En 2010, el equipo de Plenio propuso un nuevo método para la caracterización de estados cuánticos complejos llamado tomografía matriz-estado-producto. Usando este método, el estado de un grupo de partículas cuánticas enredadas puede estimarse precisamente sin elEl esfuerzo aumenta dramáticamente a medida que aumenta el número de partículas en el grupo. En colaboración con los equipos alrededor de Martin Plenio de Ulm y Andrew Daley de tEn la Universidad de Strathclyde en Escocia, los físicos experimentales de Innsbruck en torno a Christian Roos, Ben Lanyon y Christine Maier han implementado este procedimiento en el laboratorio.
mediciones más eficientes
Como caso de prueba, los físicos construyeron un simulador cuántico con hasta 14 bits cuánticos átomos, que primero se preparó en un estado inicial simple sin correlaciones cuánticas. Luego, los investigadores enredaron los átomos con luz láser y observaron la dinámicapropagación del enredo en el sistema. "Con el nuevo método, podemos determinar el estado cuántico de todo el sistema midiendo solo una pequeña fracción de las propiedades del sistema", dice el ganador del premio START, Ben Lanyon. Los teóricos alrededor de Martin Plenio tomaron la caracterizacióndel estado cuántico global a partir de los datos medidos: "El método se basa en el hecho de que teóricamente podemos describir bien el enredo distribuido localmente y ahora también podemos medirlo en el laboratorio".
Cuando el grupo de trabajo de Rainer Blatt realizó el primer byte cuántico en 2005, se necesitaron más de 6,000 mediciones para la caracterización del estado cuántico, tomadas durante un período de diez horas. El nuevo método requiere solo 27 mediciones para caracterizar el mismosistema de tamaño, tomado alrededor de 10 minutos. "Pudimos demostrar que este método puede usarse para identificar estados cuánticos grandes y complejos de manera eficiente", dice Christine Maier, miembro del equipo de Innsbruck. Ahora los científicos quieren desarrollar aún más los algoritmospara que también puedan ser utilizados de manera flexible por otros grupos de investigación.
Nuevo estándar de oro
El nuevo método permite la caracterización completa de sistemas que contienen grandes cantidades de partículas cuánticas correlacionadas y, por lo tanto, proporciona una opción de comparación para simulaciones cuánticas. "Podemos usar la nueva técnica para calibrar simuladores cuánticos, comparando los estados que encontramos en el laboratoriocon los que se esperan de los cálculos analíticos ", explica Christian Roos." Entonces sabemos si el simulador hace lo que queremos ". El nuevo método ofrece a los médicos una herramienta para muchas aplicaciones y podría convertirse en un nuevo estándar para las simulaciones cuánticas".
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Materiales proporcionado por Universidad de Innsbruck . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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