Los ordenadores cuánticos prometen emular materiales complejos y ayudar a los investigadores a comprender mejor las propiedades físicas que surgen de la interacción entre átomos y electrones. Esto podría conducir algún día al descubrimiento o diseño de mejores semiconductores, aislantes o superconductores que podrían utilizarse para fabricar dispositivos electrónicos cada vez más rápidos, más potentes y con mayor eficiencia energética.

Pero algunos fenómenos que ocurren en los materiales pueden ser difíciles de imitar usando computadoras cuánticas, lo que deja lagunas en los problemas que los científicos han explorado con hardware cuántico.

Para llenar uno de estos vacíos, los investigadores del MIT desarrollaron una técnica para generar campos electromagnéticos sintéticos en procesadores cuánticos superconductores. El equipo demostró la técnica en un procesador compuesto por 16 cúbits.

Al controlar dinámicamente la forma en que se acoplan entre sí los 16 cúbits de su procesador, los investigadores pudieron emular el movimiento de los electrones entre los átomos en presencia de un campo electromagnético. Además, el campo electromagnético sintético es ampliamente ajustable, lo que permite a los científicos explorar una variedad de propiedades de los materiales.

La emulación de campos electromagnéticos es fundamental para explorar a fondo las propiedades de los materiales. En el futuro, esta técnica podría arrojar luz sobre características clave de los sistemas electrónicos, como la conductividad, la polarización y la magnetización.

“Los ordenadores cuánticos son herramientas poderosas para estudiar la física de los materiales y otros sistemas mecánicos cuánticos. Nuestro trabajo nos permite simular mucho más de la rica física que ha cautivado a los científicos de materiales”, afirma Ilan Rosen, investigador posdoctoral del MIT y autor principal de un artículo sobre el simulador cuántico.

El autor principal es William D. Oliver, profesor de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación y de física de la cátedra Henry Ellis Warren, director del Centro de Ingeniería Cuántica, líder del grupo de Sistemas Cuánticos de Ingeniería y director asociado del Laboratorio de Investigación de Electrónica. A Oliver y Rosen se suman otros investigadores de los departamentos de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación y de Física y del Laboratorio Lincoln del MIT. La investigación aparece hoy en Nature Physics.

Un emulador cuántico

Empresas como IBM y Google se esfuerzan por construir computadoras cuánticas digitales a gran escala  que prometen superar a sus contrapartes clásicas al ejecutar ciertos algoritmos mucho más rápido.

Pero eso no es todo lo que pueden hacer las computadoras cuánticas. La dinámica de los cúbits y sus acoplamientos también se pueden construir cuidadosamente para imitar el comportamiento de los electrones cuando se mueven entre los átomos de los sólidos.

“Esto nos lleva a una aplicación obvia, que es utilizar estos ordenadores cuánticos superconductores como emuladores de materiales”, afirma Jeffrey Grover, científico investigador del MIT y coautor del artículo.

En lugar de intentar construir computadoras cuánticas digitales a gran escala para resolver problemas extremadamente complejos, los investigadores pueden utilizar los qubits en computadoras cuánticas de menor escala como dispositivos analógicos para replicar un sistema material en un entorno controlado.

“Los simuladores cuánticos digitales de uso general son muy prometedores, pero aún falta mucho para que se materialicen. La emulación analógica es otro método que puede arrojar resultados útiles a corto plazo, en particular para estudiar materiales. Es una aplicación sencilla y potente del hardware cuántico”, explica Rosen. “Usando un emulador cuántico analógico, puedo establecer intencionalmente un punto de partida y luego observar lo que sucede en función del tiempo”.

A pesar de su gran similitud con los materiales, hay algunos componentes importantes en los materiales que no se pueden reflejar fácilmente en el hardware de computación cuántica. Uno de esos componentes es el campo magnético.

En los materiales, los electrones “viven” en orbitales atómicos. Cuando dos átomos están cerca uno del otro, sus orbitales se superponen y los electrones pueden “saltar” de un átomo a otro. En presencia de un campo magnético, ese comportamiento de salto se vuelve más complejo.

En una computadora cuántica superconductora, los fotones de microondas que saltan entre cúbits se utilizan para imitar el salto de electrones entre átomos. Pero, como los fotones no son partículas cargadas como los electrones, el comportamiento de salto de los fotones seguiría siendo el mismo en un campo magnético físico.

Como no pueden simplemente activar un campo magnético en su simulador, el equipo del MIT empleó algunos trucos para sintetizar los efectos de uno.

Puesta a punto del procesador

Los investigadores ajustaron la forma en que los qubits adyacentes en el procesador se acoplaban entre sí para crear el mismo comportamiento de salto complejo que los campos electromagnéticos causan en los electrones.

Para ello, modificaron ligeramente la energía de cada cúbit aplicando distintas señales de microondas. Normalmente, los investigadores fijan los cúbits a la misma energía para que los fotones puedan saltar de uno a otro, pero para esta técnica, variaron dinámicamente la energía de cada cúbit para cambiar la forma en que se comunican entre sí.

Al modular con precisión estos niveles de energía, los investigadores permitieron que los fotones saltaran entre qubits de la misma manera compleja en que los electrones saltan entre átomos en un campo magnético.

Además, como pueden ajustar con precisión las señales de microondas, pueden emular una variedad de campos electromagnéticos con diferentes intensidades y distribuciones.

Los investigadores realizaron varias rondas de experimentos para determinar qué energía establecer para cada qubit, con qué intensidad modularlos y la frecuencia de microondas a utilizar.

“La parte más desafiante fue encontrar configuraciones de modulación para cada qubit para que los 16 qubits funcionen a la vez”, dice Rosen.

Una vez que llegaron a los parámetros correctos, confirmaron que la dinámica de los fotones cumple varias ecuaciones que forman la base del electromagnetismo. También demostraron el “efecto Hall”, un fenómeno de conducción que existe en presencia de un campo electromagnético.

Estos resultados muestran que su campo electromagnético sintético se comporta como el real.

En el futuro, podrían utilizar esta técnica para estudiar con precisión fenómenos complejos en la física de la materia condensada, como las transiciones de fase que ocurren cuando un material cambia de conductor a aislante.

“Una característica interesante de nuestro emulador es que solo necesitamos cambiar la amplitud o frecuencia de modulación para imitar un sistema de materiales diferente. De esta manera, podemos escanear muchas propiedades de materiales o parámetros de modelos sin tener que fabricar físicamente un nuevo dispositivo cada vez”, afirma Oliver.

Si bien este trabajo fue una demostración inicial de un campo electromagnético sintético, abre la puerta a muchos descubrimientos potenciales, dice Rosen.

“La belleza de los ordenadores cuánticos es que podemos ver exactamente lo que está sucediendo en cada momento en cada cúbit, por lo que tenemos toda esta información a nuestra disposición. Estamos en un lugar muy emocionante para el futuro”, añade.

Este trabajo cuenta con el apoyo, en parte, del Departamento de Energía de los EE. UU., la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de los EE. UU. (DARPA), la Oficina de Investigación del Ejército de los EE. UU., el Instituto Oak Ridge para la Ciencia y la Educación, la Oficina del Director de Inteligencia Nacional, la NASA y la Fundación Nacional de la Ciencia. 

Autor