Los investigadores han encontrado una manera de predecir el comportamiento de los sistemas cuánticos de muchos cuerpos acoplados a su entorno. El trabajo representa una forma de proteger la información cuántica en los dispositivos cuánticos, lo cual es crucial para las aplicaciones de la tecnología cuántica en el mundo real.
En un estudio publicado en Physical Review Letters, investigadores de la Universidad Aalto en Finlandia y la Universidad IAS Tsinghua en China informan sobre una nueva forma de predecir cómo se comportan los sistemas cuánticos, como los grupos de partículas, cuando están conectados al entorno externo. Por lo general, conectar un sistema como una computadora cuántica a su entorno crea decoherencia y fugas, lo que arruina cualquier información sobre lo que sucede dentro del sistema. Ahora, los investigadores desarrollaron una técnica que convierte ese problema en su solución.
La investigación fue realizada por el investigador doctoral de Aalto, Guangze Chen, bajo la supervisión del profesor José Lado y en colaboración con Fei Song de IAS Tsinghua. Su enfoque combina técnicas de dos dominios, la física cuántica de muchos cuerpos y la física cuántica no hermitiana.
Protección contra la decoherencia y las fugas
Uno de los fenómenos más intrigantes y poderosos en los sistemas cuánticos son las correlaciones cuánticas de muchos cuerpos. Comprenderlos y predecir su comportamiento es vital porque sustentan las propiedades exóticas de los componentes clave de las computadoras cuánticas y los sensores cuánticos. Si bien se ha avanzado mucho en la predicción de correlaciones cuánticas cuando la materia está aislada de su entorno, hacerlo cuando la materia está acoplada a su entorno ha eludido hasta ahora a los científicos.
En el nuevo estudio, el equipo demostró que conectar un dispositivo cuántico a un sistema externo puede ser una fortaleza en las circunstancias adecuadas. Cuando un dispositivo cuántico alberga la llamada topología no hermitiana, conduce a excitaciones cuánticas fuertemente protegidas cuya resiliencia se deriva del hecho mismo de que están abiertas al entorno. Estos tipos de sistemas cuánticos abiertos pueden conducir potencialmente a nuevas estrategias disruptivas para las tecnologías cuánticas que aprovechan el acoplamiento externo para proteger la información de la decoherencia y las fugas.
De las condiciones idealizadas al mundo real
El estudio establece un nuevo método teórico para calcular las correlaciones entre partículas cuánticas cuando se acoplan a su entorno. «El método que desarrollamos nos permite resolver problemas cuánticos correlacionados que presentan disipación e interacciones cuánticas de muchos cuerpos simultáneamente. Como prueba de concepto, demostramos la metodología para sistemas con 24 qubits que interactúan con excitaciones topológicas”, dice Chen.
El profesor Lado explica que su enfoque ayudará a que la investigación cuántica pase de condiciones idealizadas a aplicaciones del mundo real. «Predecir el comportamiento de la materia cuántica correlacionada es uno de los problemas críticos para el diseño teórico de materiales y dispositivos cuánticos. Sin embargo, la dificultad de este problema se vuelve mucho mayor cuando se consideran situaciones reales en las que los sistemas cuánticos están acoplados a un entorno externo. Nuestros resultados representan un paso adelante en la resolución de este problema, proporcionando una metodología para comprender y predecir materiales y dispositivos cuánticos en condiciones realistas en tecnologías cuánticas”, dice.