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(noticias nanowerk) El entrelazamiento es una forma de correlación entre objetos cuánticos, como partículas a nivel atómico. Este fenómeno cuántico único no puede explicarse mediante las leyes de la física clásica, pero es una de las propiedades que explica el comportamiento macroscópico de los sistemas cuánticos.
Dado que el entrelazamiento es fundamental para el funcionamiento de los sistemas cuánticos, una mejor comprensión del entrelazamiento podría brindar a los científicos una comprensión más profunda de cómo se almacena y procesa eficientemente la información en dichos sistemas.
Los qubits o bits cuánticos son los componentes básicos de una computadora cuántica. Sin embargo, es extremadamente difícil crear estados entrelazados específicos en sistemas con muchos qubits, y mucho menos estudiarlos. También hay una variedad de condiciones entrelazadas y puede resultar difícil distinguirlas unas de otras.
Ahora, los investigadores del MIT han demostrado una técnica que puede crear de manera eficiente un entrelazamiento entre una serie de qubits superconductores que exhiben un comportamiento específico.
En los últimos años, investigadores del grupo de Ingeniería de Sistemas Cuánticos (EQuS) han desarrollado técnicas utilizando tecnología de microondas para controlar con precisión un procesador cuántico hecho de circuitos superconductores. Además de estas técnicas de control, los métodos presentados en este trabajo permiten al procesador crear eficientemente estados altamente entrelazados y mover estos estados de un tipo de entrelazamiento a otro, incluso entre tipos que tienen más probabilidades de soportar la aceleración cuántica y aquellos que no lo hacen. .
“Aquí mostramos que podemos utilizar los nuevos procesadores cuánticos como herramienta para ampliar nuestra comprensión de la física. Si bien todo lo que hicimos en este experimento fue a una escala que aún se puede simular en una computadora clásica, tenemos una buena hoja de ruta para llevar esta tecnología y metodología más allá del alcance de la computadora clásica”, dice Amir H. Karamlou '18, MEng '18, PhD '23, autor principal del artículo.
El autor principal es William D. Oliver, profesor Henry Ellis Warren de Ingeniería Eléctrica, Ciencias de la Computación y Física, director del Centro de Ingeniería Cuántica, líder del grupo EQuS y director asociado del Laboratorio de Investigación Electrónica. A Karamlou y Oliver se unirán el científico investigador Jeff Grover, el becario postdoctoral Ilan Rosen y otros en los departamentos de ingeniería eléctrica, informática y física del MIT, el Laboratorio Lincoln del MIT, el Wellesley College y la Universidad de Maryland.
La investigación aparece en Naturaleza (“Investigando el enredo en una red 2D incondicional de Bose-Hubbard”).
Evaluación del enredo
En un gran sistema cuántico formado por muchos qubits interconectados, se puede considerar el entrelazamiento como la cantidad de información cuántica compartida entre un subsistema particular de qubits y el resto del sistema más grande.
El entrelazamiento dentro de un sistema cuántico se puede clasificar como una ley de área o una ley de volumen en función de cómo esta información compartida escala con la geometría de los subsistemas. En el entrelazamiento de leyes de volumen, la cantidad de entrelazamiento entre un subsistema de qubits y el resto del sistema crece en proporción al tamaño total del subsistema.
Por otro lado, el entrelazamiento de leyes de área depende de cuántas conexiones comunes existen entre un subsistema de qubits y el sistema más grande. A medida que el subsistema se expande, el grado de entrelazamiento sólo aumenta a lo largo del límite entre el subsistema y el sistema más grande.
Teóricamente, la formación del entrelazamiento de leyes de volumen está relacionada con lo que hace que la computación cuántica sea tan poderosa.
«Aunque todavía no hemos abstraído completamente el papel que desempeña el entrelazamiento en los algoritmos cuánticos, sabemos que la creación del entrelazamiento según la ley del volumen es un factor clave para lograr una ventaja cuántica», dice Oliver.
Sin embargo, el entrelazamiento de la ley del volumen también es más complejo que el entrelazamiento de la ley del área y es prácticamente imposible de simular a escala con una computadora clásica.
“Cuanto mayor sea la complejidad de su sistema cuántico, más difícil será simularlo con computadoras convencionales. Por ejemplo, si intentara realizar un seguimiento de un sistema con 80 qubits, tendría que almacenar más información de la que hemos almacenado a lo largo de la historia de la humanidad”, afirma Karamlou.
Los investigadores han desarrollado un procesador cuántico y un protocolo de control que les permite crear y estudiar de manera eficiente ambos tipos de entrelazamiento.
Su procesador consta de circuitos superconductores que se utilizan para crear átomos artificiales. Los átomos artificiales se utilizan como qubits que pueden controlarse y leerse con alta precisión mediante señales de microondas.
El dispositivo utilizado para este experimento contenía 16 qubits dispuestos en una cuadrícula bidimensional. Los investigadores ajustaron cuidadosamente el procesador para que los 16 qubits tuvieran la misma frecuencia de transición. Luego aplicaron propulsión adicional por microondas a todos los qubits simultáneamente.
Si este motor de microondas tiene la misma frecuencia que los qubits, crea estados cuánticos que exhiben un entrelazamiento de leyes de volumen. Sin embargo, a medida que la frecuencia de microondas aumenta o disminuye, los qubits exhiben menos entrelazamiento de la ley de volumen y eventualmente pasan a estados entrelazados que siguen cada vez más la escala de la ley de área.
Control cuidadoso
“Nuestro experimento es una obra maestra del poder de los procesadores cuánticos superconductores. «En un experimento, utilizamos el procesador como dispositivo de simulación analógico, lo que nos permitió preparar de manera eficiente estados con diferentes estructuras de entrelazamiento, y como dispositivo informático digital, necesario para medir la escala de entrelazamiento resultante», dice Rosen.
Para permitir este control, el equipo ha trabajado durante años para construir cuidadosamente la infraestructura alrededor del procesador cuántico.
Al demostrar la transición del entrelazamiento de la ley del volumen al de la ley del área, los investigadores confirmaron experimentalmente lo que los estudios teóricos habían predicho. Más importante aún, este método se puede utilizar para determinar si el entrelazamiento en un procesador cuántico genérico es una ley de área o una ley de volumen.
“El experimento del MIT destaca la distinción entre el entrelazamiento de ley de área y ley de volumen en simulaciones cuánticas bidimensionales con qubits superconductores. Esto complementa muy bien nuestro trabajo sobre la tomografía de Hamilton por entrelazamiento de iones atrapados en un artículo paralelo publicado en Naturaleza en 2023 (“Exploración del entrelazamiento a gran escala en simulación cuántica”)”, dice Peter Zoller, profesor de física teórica en la Universidad de Innsbruck, que no participó en este trabajo.
«Cuantificar el entrelazamiento en grandes sistemas cuánticos es una tarea desafiante para las computadoras clásicas, pero es un buen ejemplo de dónde podría ayudar la simulación cuántica», dice Pedram Roushan de Google, que tampoco participó en el estudio. “Utilizando una matriz 2D de qubits superconductores, Karamlou y sus colegas pudieron medir la entropía de entrelazamiento de diferentes subsistemas de diferentes tamaños. Miden las contribuciones de la ley del volumen y la ley del área a la entropía y revelan el comportamiento de cruce cuando se sintoniza la energía del estado cuántico del sistema. Demuestra de manera impresionante los conocimientos únicos que pueden ofrecer los simuladores cuánticos”.
En el futuro, los científicos podrían utilizar esta técnica para estudiar el comportamiento termodinámico de sistemas cuánticos complejos, que es demasiado complejo para estudiarlo utilizando los métodos analíticos actuales y prácticamente prohibitivo de simular incluso en las supercomputadoras más potentes del mundo.
«Los experimentos que realizamos en este trabajo pueden usarse para caracterizar o comparar sistemas cuánticos más grandes, y también podríamos aprender un poco más sobre la naturaleza del entrelazamiento en estos sistemas de muchos cuerpos», dice Karamlou.
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