Un equipo de teóricos cuánticos que buscaba curar un problema básico con las computadoras de recocido cuántico tienen que funcionar a un ritmo relativamente lento para funcionar correctamente encontró algo intrigante en su lugar. Mientras investigaba cómo funcionan los atemperadores cuánticos cuando se operan más rápido de lo deseado,el equipo descubrió inesperadamente un nuevo efecto que puede explicar la distribución desequilibrada de materia y antimateria en el universo y un enfoque novedoso para separar isótopos.
"Aunque nuestro descubrimiento no curó la restricción del tiempo de recocido, trajo una clase de nuevos problemas de física que ahora se pueden estudiar con templadores cuánticos sin requerir que sean demasiado lentos", dijo Nikolai Sinitsyn, físico teórico de Los Alamos NationalLaboratorio. Sinitsyn es autor del artículo publicado el 19 de febrero en Cartas de revisión física , con los coautores Bin Yan y Wojciech Zurek, ambos también de Los Alamos, y Vladimir Chernyak de la Universidad Estatal de Wayne.
Significativamente, este hallazgo insinúa cómo al menos dos famosos problemas científicos pueden resolverse en el futuro. El primero es la aparente asimetría entre la materia y la antimateria en el universo.
"Creemos que pequeñas modificaciones a experimentos recientes con recocido cuántico de qubits interactuantes hechos de átomos ultrafríos a través de las transiciones de fase serán suficientes para demostrar nuestro efecto", dijo Sinitsyn.
Explicación de la discrepancia materia / antimateria
Tanto la materia como la antimateria resultaron de las excitaciones de energía que se produjeron en el nacimiento del universo. La simetría entre la forma en que interactúan la materia y la antimateria se rompió pero muy débilmente. Todavía no está del todo claro cómo esta sutil diferencia podría conducir a la grandominación observada de la materia en comparación con la antimateria a escala cosmológica.
El efecto recién descubierto demuestra que tal asimetría es físicamente posible. Ocurre cuando un gran sistema cuántico pasa por una transición de fase, es decir, una reordenación muy aguda del estado cuántico. En tales circunstancias, interacciones fuertes pero simétricas compensan aproximadamente cadaLuego, las diferencias sutiles y persistentes pueden jugar el papel decisivo.
Hacer que los recocidos cuánticos sean lo suficientemente lentos
Las computadoras de recocido cuántico están diseñadas para resolver problemas complejos de optimización mediante la asociación de variables con estados cuánticos o qubits. A diferencia de los bits binarios de una computadora clásica, que solo pueden estar en un estado o valor de 0 o 1, los qubits pueden estar en un estado cuánticosuperposición de valores intermedios. Ahí es donde todas las computadoras cuánticas obtienen sus asombrosos, aunque en gran parte inexplotados, poderes.
En una computadora de recocido cuántico, los qubits se preparan inicialmente en un estado simple de energía más baja aplicando un fuerte campo magnético externo. Este campo luego se apaga lentamente, mientras que las interacciones entre los qubits se encienden lentamente.
"Idealmente, un recocido funciona lo suficientemente lento como para funcionar con errores mínimos, pero debido a la decoherencia, uno tiene que hacer funcionar el recocido más rápido", explicó Yan. El equipo estudió el efecto emergente cuando los recocidos se operan a una velocidad más rápida, lo que limitaellos a un tiempo de operación finito.
"De acuerdo con el teorema adiabático de la mecánica cuántica, si todos los cambios son muy lentos, los llamados adiabáticos lentos, entonces los qubits deben permanecer siempre en su estado de energía más bajo", dijo Sinitsyn. "Por lo tanto, cuando finalmente los medimos,encontramos la configuración deseada de 0 y 1 que minimiza la función de interés, lo que sería imposible de obtener con una computadora clásica moderna ".
Cojeado por la decoherencia
Sin embargo, los annealers cuánticos actualmente disponibles, como todas las computadoras cuánticas hasta ahora, se ven obstaculizados por las interacciones de sus qubits con el entorno circundante, lo que causa decoherencia. Esas interacciones restringen el comportamiento puramente cuántico de los qubits a aproximadamente una millonésima de segundo.Ese período de tiempo, los cálculos tienen que ser rápidos, no adiabáticos, y las excitaciones de energía no deseadas alteran el estado cuántico, introduciendo errores computacionales inevitables.
La teoría Kibble-Zurek, co-desarrollada por Wojciech Zurek, predice que la mayoría de los errores ocurren cuando los qubits encuentran una transición de fase, es decir, una reordenación muy aguda de su estado cuántico colectivo.
Para este artículo, el equipo estudió un modelo resoluble conocido donde los qubits idénticos interactúan solo con sus vecinos a lo largo de una cadena; el modelo verifica la teoría Kibble-Zurek analíticamente. En la búsqueda de los teóricos para curar el tiempo de operación limitado en computadoras de recocido cuántico,aumentaron la complejidad de ese modelo al asumir que los qubits podrían dividirse en dos grupos con interacciones idénticas dentro de cada grupo, pero interacciones ligeramente diferentes para los qubits de los diferentes grupos.
En tal mezcla, descubrieron un efecto inusual: un grupo todavía producía una gran cantidad de excitaciones de energía durante el paso por una transición de fase, pero el otro grupo permanecía en el mínimo de energía como si el sistema no experimentara una transición de faseen absoluto.
"El modelo que usamos es altamente simétrico para poder resolverlo, y encontramos una manera de extender el modelo, rompiendo esta simetría y aún resolviéndola", explicó Sinitsyn. "Luego descubrimos que la teoría de Kibble-Zurek sobrevivió perocon un giro: la mitad de los qubits no disiparon energía y se comportaron 'bien'. En otras palabras, mantuvieron sus estados fundamentales ".
Desafortunadamente, la otra mitad de los qubits produjo muchos errores computacionales; por lo tanto, hasta ahora no hay cura para un paso a través de una transición de fase en computadoras de recocido cuántico.
Una nueva forma de separar isótopos
Otro problema de larga data que puede beneficiarse de este efecto es la separación de isótopos. Por ejemplo, el uranio natural a menudo debe separarse en isótopos enriquecidos y empobrecidos, de modo que el uranio enriquecido pueda utilizarse con fines de energía nuclear o de seguridad nacional. El actualEl proceso de separación es costoso y consume mucha energía. El efecto descubierto significa que al hacer que una mezcla de átomos ultrafríos que interactúan pase dinámicamente a través de una transición de fase cuántica, diferentes isótopos pueden excitarse selectivamente o no y luego separarse usando la técnica de deflexión magnética disponible.
El financiamiento: este trabajo se llevó a cabo con el apoyo del Departamento de Energía de los EE. UU., Oficina de Ciencias, División de Ciencias Energéticas Básicas, Ciencias de los Materiales e Ingeniería, Programa de Teoría de la Materia Condensada. Bin Yan también reconoce el apoyo del Centro de Estudios No Linealesen LANL.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Los Alamos . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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