Esta máquina cuántica parece contradecir el deseo de desorden del universo.

Uno de los primeros simuladores cuánticos demostró un fenómeno misterioso: una serie de átomos que periódicamente regresa a un estado ordenado. Los físicos de carreras están tratando de explicar lo que está sucediendo.

El helado derretido no está sujeto a congelación espontánea. Sin embargo, uno de los simuladores cuánticos regresa constantemente a un estado ordenado después de que el sistema alcanza el equilibrio.

Pasará suficiente tiempo, e incluso en la habitación más ordenada habrá un desastre. Ropa, libros y papeles dejarán su estado ordenado y se dispersarán por el piso. Y, molestamente, esta tendencia al desorden refleja una ley de la naturaleza: el desorden tiende a crecer.

Si, por ejemplo, abres el globo del buzo bajo presión, las moléculas de aire en su interior volarán y se dispersarán por la habitación. Coloque un cubo de hielo en agua caliente, y las moléculas de agua congeladas en una red cristalina ordenada romperán sus enlaces y se dispersarán. Cuando se mezcla y distribuye, el sistema tiende a equilibrarse con el medio ambiente, lo que se denomina termalización.

Este es un efecto común e intuitivo que los físicos esperaban alinear 51 átomos de rubidio en una fila y mantenerlos en su lugar con láser. Los átomos comenzaron con una estructura ordenada, y cambiaron entre el estado "fundamental" con energía mínima y el estado excitado. Los investigadores han sugerido que este sistema se termine rápidamente: la alternancia del suelo y los estados excitados se calmarán casi de inmediato en forma de una secuencia aleatoria.

Al principio, las secuencias se complicaron. Pero luego, para sorpresa de los científicos, volvieron a su secuencia alterna original. Después de una mezcla adicional, los átomos volvieron a su configuración original. Los estados alternaban de ida y vuelta con una frecuencia varias veces por microsegundo, mucho después de que el sistema tuviera que ser térmico.

Todo parecía como si hubieras dejado caer un cubo de hielo en agua caliente, y no solo se derritió, dijo Mikhail Lukin , físico de la Universidad de Harvard y líder de un grupo de científicos. "Vemos que el hielo se derrite y luego se cristaliza, luego se derrite y cristaliza de nuevo", dijo. "Esto es algo muy inusual".

Los físicos han llamado a este extraño comportamiento "cicatrización cuántica de partículas múltiples". Los átomos, aparentemente, llevan la huella del pasado, como si fuera una especie de cicatriz, lo que los hace volver a la configuración original una y otra vez.

En los 16 meses transcurridos desde la publicación del trabajo en la revista Nature, varios grupos de físicos intentaron comprender la naturaleza de estas cicatrices cuánticas. Algunos creen que este descubrimiento puede abrir una nueva categoría de interacción y comportamiento de partículas cuánticas, negando las suposiciones de los físicos de que tal sistema se está moviendo inexorablemente hacia la termalización. Además, el efecto de cicatrización puede conducir a la creación de nuevos tipos de bits cuánticos de almacenamiento a largo plazo, que son los ingredientes clave de las futuras computadoras cuánticas.

Superar la probabilidad cero

Los físicos, de hecho, al construir un sistema de 51 átomos, tenían en mente los cálculos cuánticos. Este sistema fue concebido como un simulador cuántico, una máquina diseñada para simular procesos cuánticos que no pueden ser investigados por otros métodos utilizando una computadora clásica. En un momento, este sistema era el simulador cuántico más grande de todos.

Los átomos de la máquina de Harvard sirven como qubits, y sus estados, básicos o excitados, se denominan estados de Rydberg . Los investigadores pueden ajustar el sistema cambiando, por ejemplo, la fuerza de la interacción de los átomos entre sí.

Los investigadores han preparado varias secuencias iniciales de los estados básicos y excitados de los átomos. Como los átomos interactúan activamente entre sí, deben llegar a la termalización. Pero en lugar de interacciones que se asemejan a moléculas en un gas, los átomos en un sistema cuántico de este tipo producen un tipo de enlace cuántico profundo, conocido como enredo. "Y luego la confusión se extiende", dijo Lukin. "Así es como ocurre la termalización".


Mikhail Lukin

Y usualmente la complejidad en el simulador creció. Sin embargo, cuando los investigadores lanzaron el experimento, ordenando los átomos en una secuencia de estados excitados y básicos alternados, las partículas primero se enredaron y luego lo perdieron, oscilando de un lado a otro de la configuración original.

Tal comportamiento parecía improbable, al borde de lo imposible. Después de que los átomos comienzan a interactuar, su secuencia alterna debe olvidarse muy rápidamente, ya que los átomos pueden entrar en una gran cantidad de posibles secuencias de estados excitados y fundamentales. Esto es similar al ejemplo con un cilindro, moléculas de aire de las cuales salen de la configuración original y se propagan por la habitación. Para su distribución, hay una gran cantidad de lugares, por lo que la probabilidad de que todos vuelvan a introducirse accidentalmente en el contenedor es prácticamente nula.

"Un sistema cuántico puede existir en tantos estados posibles que sería extremadamente difícil para él volver al original", dijo Zlatko Papich , físico de la Universidad de Leeds en Inglaterra.

Sin embargo, Lukin dice que esto es lo que han observado. El sistema está dotado de algún tipo de física especial, lo que le permite volver por su propio camino, dijo Papich. "Ella deja un rastro de migas de pan y regresa al comienzo del camino".

"Este es el primer descubrimiento real realizado con una máquina cuántica", dijo Lukin.

Lukin y sus colegas comenzaron a describir el experimento, pero antes de la publicación del trabajo, Lukin lo describió en una conferencia en el Trieste italiano en julio de 2017. "No sabíamos cómo entender esto", dijo Papich, que estaba en la audiencia ese día. "No creo que ninguno de los presentes tuviera ideas para explicar las razones de esto".

Cicatrices en el estadio

Pronto, sin embargo, Papich y sus colegas se dieron cuenta de que tal comportamiento se asemeja a un fenómeno descubierto hace unos 30 años. En la década de 1980, el físico Eric Geller de Harvard estudió el caos cuántico: ¿qué pasaría si la mecánica cuántica se aplicara a los sistemas caóticos? En particular, Geller examinó el rebote de bolas dentro del " Estadio Bunimovich ", una mesa rectangular con esquinas redondeadas. El sistema es caótico; durante un tiempo suficientemente largo, el balón pasará por todas las trayectorias posibles dentro del estadio . Pero si lanzas la pelota en cierto ángulo, siempre seguirá el mismo camino.

En un experimento mental, Geller reemplazó la pelota con una partícula cuántica. "La expectativa ingenua es que si nuestro sistema clásico ya es caótico", dijo Papich, luego de agregar las reglas de la mecánica cuántica, "uno debería esperar un comportamiento aún más caótico". La función de onda de una partícula, un paquete matemático abstracto de sus propiedades cuánticas, debe esparcirse alrededor del estadio, a medida que las ondas se propagan a través del estanque. La probabilidad de encontrar una partícula en un lugar específico del estadio debe ser igual para todos sus puntos.


Una partícula colocada en un estadio de Bunimovich puede mostrar cicatrices, trayectorias donde la probabilidad de su detección es alta.

Sin embargo, Geller descubrió que la función de onda no se extiende de manera uniforme, sino que se acumula en los caminos que repiten la trayectoria del ejemplo clásico, a lo largo del cual la pelota se mueve sin cesar. Como si las ondas generaran un recuerdo de esta trayectoria particular. "Es como un camino a casa para las olas", dijo Geller. "Quieren regresar a su lugar de nacimiento". Tan simple ".

Al estar en esta trayectoria, la función de onda de partículas interfiere constructivamente consigo misma, agregando picos a picos y caídas a caídas. Como resultado, es muy probable que la partícula esté en algún lugar del camino. En el gráfico, la distribución de probabilidad se asemeja a una versión borrosa de las trayectorias periódicas clásicas. "Me parecen cicatrices", dijo Geller. Por lo tanto, en su trabajo en 1984, los llamó así.

Quizás un fenómeno similar pueda explicarse por el hecho de que un sistema de 51 átomos está volviendo a su configuración original, pensó Papich. Quizás ella también echa de menos la casa.

Cicatriz dejando incisión

Para averiguarlo, Papich y sus colegas analizaron los estados cuánticos del modelo de sistema de 51 átomos. Descubrieron que su extraño comportamiento oscilatorio realmente se parecía a las cicatrices cuánticas de Geller. Identificaron condiciones que se parecían a esos casos especiales que correspondían a las trayectorias de las cicatrices. Al regresar periódicamente a estos estados, el sistema podría evitar la termalización. La conexión con la cicatrización cuántica fue lo suficientemente fuerte como para que en su trabajo del año pasado publicado en la revista Nature Physics, llamaran a este fenómeno "cicatrización cuántica multipartícula".

A pesar del escepticismo inicial causado por el análisis de Papich, Lukin, así como Wen Wei Ho , un físico de Harvard y otros, establecieron una conexión más fuerte con la cicatrización cuántica en un artículo publicado en enero. Determinaron una forma clásica de describir el estado de un sistema atómico 51 como un punto en el espacio abstracto. Con un cambio en el estado del sistema, un punto se mueve en el espacio. Los investigadores descubrieron que cuando el sistema experimenta sus propias vibraciones extrañas, el punto cuelga hacia adelante y hacia atrás como una pelota en una trayectoria periódica especial colocada a lo largo de la mesa de billar del estadio.


Una configuración experimental en la que los investigadores crearon un simulador cuántico

Al encontrar una analogía clásica, los investigadores reforzaron la afirmación de que el fenómeno de una sola partícula Heller es aplicable a un sistema de muchas partículas. "Estos muchachos obviamente encontraron algo", dijo Geller. "Definitivamente".

Una cosa está clara: este experimento despertó el interés de investigadores de todo el mundo. Un grupo del Instituto de Tecnología de California ha identificado expresiones matemáticas para algunos de los estados especiales del sistema de 51 átomos. Otro, de Princeton, sugirió que las cicatrices podrían ser parte de un fenómeno más general aplicable en varios campos de la física de la materia condensada. "Creemos que parece que entendemos lo que está sucediendo en este sistema", dijo Ho. "Sin embargo, todavía no tenemos un método generalizado para buscar otras trayectorias-cicatrices".

Quedan preguntas más profundas. "Las cicatrices son una descripción útil del problema", dijo Vedika Kemani , un físico de Harvard que no participó en el experimento. "Pero no creo que tengamos una comprensión real de lo que lleva a su aparición".

Estructura en aleatoriedad

A pesar de todas estas incógnitas, la cicatrización de muchas partículas es de gran interés para los físicos, ya que puede representar una nueva clase de sistemas cuánticos.

En los últimos años, los físicos han estudiado otra clase similar, la localización de partículas múltiples, en la que fallas aleatorias impiden la termalización del sistema. Como analogía, imagine un rebaño de vacas caminando en un campo plano. Las vacas eventualmente tienen que dispersarse en diferentes lugares, llamémosla termalización de las vacas. Pero si las colinas al azar se encuentran en el campo, las vacas terminarán en tierras bajas.

Del mismo modo, el sistema de cicatrices cuánticas de muchas partículas no es un sistema caótico que busca termalizarse. Pero tampoco hay colinas en él. "Este trabajo habla de la existencia de una nueva clase de sistemas ubicados en algún punto intermedio", dijo Papich.

Para explicar el efecto de cicatrización, un nuevo análisis de Kemani sugiere que el sistema de 51 átomos puede ser un sistema integrable (o acercarse a uno). Este es un caso especial y aislado de un sistema con muchas limitaciones y características que se ajustan para evitar su termalización. Entonces, si el sistema de cicatrices es integrable, puede ser un caso único en una clase más amplia de fenómenos.

Los físicos han estado estudiando sistemas integrables durante décadas, y si el sistema resulta ser integrable, dijo Papich, entonces las consecuencias de este hecho no serán tan interesantes como si este sistema cuántico fuera único. Papich, Ho y Lukin escribieron un artículo argumentando en contra de esta posibilidad.

Pero independientemente de si las cicatrices resultan ser una nueva clase de comportamiento cuántico, este descubrimiento apunta a la tentadora posibilidad de mejorar las computadoras cuánticas. Uno de los problemas de crear una computadora cuántica es la necesidad de proteger sus frágiles qubits. Cualquier perturbación o perturbación del medio ambiente puede hacer que los qubits se calienten y borren cualquier información almacenada en ellos, lo que hará que la computadora sea inútil. "Si podemos encontrar una forma común de introducir cicatrices en otros sistemas, podremos proteger la información cuántica durante mucho tiempo", dijo Ho.

La cicatrización puede darle a la computadora una forma de retener los datos almacenados, protegiendo el pasado del caos de la termalización.

"Hay una estructura hermosa, de alguna manera preservada en un entorno completamente al azar", dijo Papich. - ¿Qué física permite que este proceso funcione? "Este es un tema profundo y multifacético, que cubre muchas áreas de la física, y este efecto es una de sus manifestaciones".