Caminos cuánticos fuertemente correlacionados simulados usando 12 cúbits

Un camino aleatorio (random walk) es una trayectoria cuyos pasos son aleatorios. Un camino cuántico (quantum walk) es su versión cuántica. La simulación en un ordenador de un camino cuántico fuertemente correlacionado tiene un coste computacional exponencial, pero en un ordenador cuántico se puede realizar de forma eficiente. Se publica en Science la simulación de un camino cuántico para bosones descritos por el modelo de Bose–Hubbard en un ordenador cuántico analógico formado por una cadena de doce cúbits (qubits) superconductores de tipo transmón. La comparación entre los resultados observados y las predicciones teóricas para el camino cuántico de bosones confirma que el estado presenta correlaciones fuertes. Un primer paso hacia la futura simulación de sistemas cuánticos multicuerpo con un gran número de cúbits, si se confirma la aparente escalabilidad de la nueva propuesta.

La gran ventaja de los ordenadores cuánticos analógicos es que basta preparar el estado inicial adecuado y dejar que el ordenador evolucione por sí mismo. Al evitar la necesidad de operar sobre los cúbits durante la ejecución del algoritmo se reduce el efecto de la decoherencia. Más aún, usando técnicas de tomografía cuántica se puede realizar un seguimiento del estado del ordenador cuántico analógico durante el proceso de cálculo. Por supuesto, a priori, se puede implementar un ordenador cuántico universal con esta tecnología si el número de cúbits es suficientemente elevado, pero, en la práctica, solo se conciben ordenadores de propósito específico.

El nuevo trabajo tiene gran relevancia en ciencia básica para el estudio de sistemas cuánticos multicuerpo fuertemente correlacionados muy usados en física de la materia condensada y física del estado sólido; su simulación sin aproximaciones para decenas de cúbits está más allá de lo que permiten los superordenadores actuales. El artículo es Zhiguang Yan, Yu-Ran Zhang, …, Jian-Wei Pan, “Strongly correlated quantum walks with a 12-qubit superconducting processor,” Science 364: 753-756 (24 May 2019), doi: 10.1126/science.aaw1611.

Esta figura compara el resultado experimental (izquierda, fotogramas de un vídeo .mp4) con las predicciones teóricas para un sistemas fuerte (centro) y débilmente (derecha) correlacionados. El modelo de Bose–Hubbard los bosones están situados en posiciones fijas de una red, pudiendo saltar de un sitio a otro adyacente (hopping). El modelo se describe con dos parámetros (que pueden ser matriciales) que describen la facilidad con la que un bosón salta de un sitio a otro (J) y el potencial no lineal al que está sometido el bosón al encontrarse en un sitio concreto (U). En la simulación se consideran dos bosones indistinguibles entre sí situados en lugares adyacentes en el centro de la cadena. Para una interacción débil, |U|≪J, se espera que la pareja de bosones se propague como un estado bosónico ligado en dirección contradiagonal (figura derecha); mientras que para una interacción fuerte, |U|≫J, se espera un estado antiagrupado (antibunching) que provoca que se separen en direcciones opuestas y se muevan en dirección diagonal (figura izquierda y central).

En las simulaciones se han estudiado caminos cuánticos para uno y para dos bosones bajo interacción fuerte según el modelo de Bose–Hubbard en la cadena unidimensional de cúbits. Los transmones solo presentan interacciones de corto alcance, pero los bosones simulados presentan correlaciones fuertes de largo alcance. En las simulaciones se observa la propagación dentro del cono de luz de la información cuántica, incluso el entrelazamiento. Según los autores del estudio, la tecnología usada es fácilmente escalable. Si se confirma su esperanza, en pocos años tendremos sistemas con decenas de transmones que puedan simular instancias del modelo de Bose–Hubbard más allá de lo que se puede simular en los superordenadores actuales; así se logrará la supremacía cuántica con un ordenador cuántico analógico. Habrá que estar al tanto de los progresos en esta área.



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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 27 mayo, 2019
Categoría(s): ✓ Ciencia • Computación cuántica • Física • Noticias • Physics • Science
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