Mejora de la simulación cuántica bidimensional
La mecánica cuántica describe el comportamiento de las partículas elementales de la materia de nuestro mundo. El campo de la física cuántica de muchos cuerpos investiga las interacciones de sistemas de partículas entre sí según las leyes de la física cuántica. Por ejemplo, estos sistemas incluyen interacciones entre partículas magnéticas en un sólido. Si bien los científicos disponen de las ecuaciones básicas que describen estas interacciones, analizarlas en detalle constituye todo un reto, y simularlas con exactitud —incluso en superordenadores— es imposible. La simulación cuántica utiliza sistemas experimentales bien controlados para comprender mejor este complejo campo de la física. En los simuladores se codifica la información en una serie de sistemas cuánticos denominados «cúbits», que requieren un control preciso sobre los átomos individuales. En el proyecto SPICY(se abrirá en una nueva ventana), financiado por el Consejo Europeo de Investigación(se abrirá en una nueva ventana), se diseñó y desarrolló un nuevo simulador cuántico para examinar e investigar la dinámica de problemas con muchas partículas. El dispositivo es un simulador cuántico de cien partículas, que puede observar las interacciones de las partículas en dos dimensiones, en lugar de solo una. «Ello posibilita estudiar ciertos fenómenos de física cuántica de muchos cuerpos, que a nivel de cien partículas ya está fuera del alcance de los métodos numéricos exactos», explica Christian Roos(se abrirá en una nueva ventana), científico titular del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica de la Universidad de Innsbruck(se abrirá en una nueva ventana) e investigador principal del proyecto SPICY.
Construcción de un sistema bidimensional
El equipo tenía dos motivaciones para crear su sistema bidimensional, a saber: permitir el empleo de un mayor número de partículas y ofrecer una geometría bidimensional de los constituyentes. «Los teóricos han desarrollado técnicas para calcular los estados básicos de sistemas unidimensionales con un número muy elevado de partículas», agrega Roos. «Sin embargo, no existe métodos parecidos para los sistemas bidimensionales».
Una plataforma experimental para la física de muchos cuerpos
Los iones atrapados se utilizan como plataforma experimental para investigar la física cuántica de muchos cuerpos. Existen varias formas de atrapar iones con campos eléctricos en diferentes configuraciones, pero todas tienen ventajas e inconvenientes. La plataforma experimental de SPICY utiliza una trampa de radiofrecuencia con campos eléctricos para confinar los iones. El equipo instaló una trampa diseñada para atrapar cristales planos de iones de Coulomb(se abrirá en una nueva ventana), es decir, estados inusuales de la materia que se pueden tratar como un sistema mecánico cuántico en forma de red. Este dispositivo se puede ajustar para atrapar iones en dos dimensiones, en lugar de hilos simples. La trampa es una microestructura compuesta por una sola pieza de sílice fundida y recubierta de oro, con diferentes electrodos para favorecer un control preciso del potencial en el que se encuentran estos cristales de iones.
Prueba del dispositivo experimental
Una vez construido el nuevo dispositivo, el siguiente paso consistió en efectuar experimentos con él. Al principio, el equipo estaba preocupado, ya que la disposición de los cristales planos de hierro no es fija, lo cual planteaba el riesgo de que chocaran con otros átomos e imposibilitara efectuar experimentos válidos. El equipo encontró la manera de superar este inconveniente ajustando los parámetros del dispositivo. Otro paso importante del proyecto fue demostrar que los modos colectivos de movimiento se pueden enfriar hasta los estados cuánticos más bajos. «Entonces empezamos a acoplar los niveles de energía interna de los iones y a crear interacciones de entrelazamiento entre las partículas», destaca Roos.
Hacia estados cuánticos útiles en meteorología
Más allá de los resultados principales, los investigadores también emplearon el dispositivo para la «compresión de espín», una técnica con la que se pueden crear estados cuánticos útiles en meteorología. «Se trata de una parte novedosa de los experimentos de física cuántica que hemos realizado», afirma Roos.
