modelo de Ising cuántico

Dos bailarines en un mismo escenario: uno tira de su pareja hacia un lado, el otro hacia el opuesto. En el cristal Cu2(OH)3Br, conocido como botallackita, los átomos de cobre se disponen en cadenas donde los espines (momentos magnéticos) de iones vecinos se alinean ya sea en paralelo, como en un ferromagneto, o en antiparalelo, como en un…

Un ordenador cuántico normalmente se parece a una cadena de montaje: las operaciones van una tras otra y cada error se acumula. En el nuevo trabajo, los físicos probaron un camino diferente: una arquitectura donde el cálculo surge del propio proceso de medición. Tomaron 56 iones en una trampa y tejieron con ellos una nube tridimensional de partículas entrelazadas.

Una transición de fase es como el momento en que el agua se convierte en hielo. En el mundo cuántico, estas transiciones ocurren en el cero absoluto, y verlas directamente es casi imposible. Normalmente, para ello se construyen modelos computacionales complejísimos que requieren enormes recursos. El método Delta-VQE propone un atajo.

El horizonte de un agujero negro no es una pared, sino más bien una membrana de un solo sentido. Todo lo que lo cruza desaparece para siempre. Stephen Hawking demostró que este límite debería brillar débilmente, emitiendo partículas. Pero captar ese resplandor de un agujero real es imposible: está demasiado lejos y es demasiado tenue.

Los electrones en un sólido normalmente o corren libremente (metal) o están confinados en su lugar (aislante). Pero a veces la fuerte repulsión mutua los encierra en un estado a medias: las cargas se quedan quietas, mientras que los espines —pequeñas agujas magnéticas— siguen viviendo su propia vida. Esto se llama aislante de Mott.

El agua hierve a cien grados, eso lo sabe todo el mundo. Pero, ¿por qué precisamente a cien? ¿Por qué no de forma gradual, sino de golpe: hace un segundo era líquido y, de repente, burbujas, vapor, efervescencia? Estos cambios bruscos se denominan transiciones de fase y tienen una base matemática rigurosa.

El aprendizaje automático hace tiempo que dejó de ser una simple herramienta: se está convirtiendo en un investigador que extrae por sí mismo las leyes de la naturaleza de los datos. Pero, ¿cómo llega la mente de silicio a la comprensión?

Algunos materiales están estructurados internamente como una cinta de Möbius: sus estados electrónicos están retorcidos de una manera especial. Estas propiedades topológicas suelen intentar modificarse con un campo magnético potente, como si se intentara alisar la cinta con un mazo. Un grupo de investigadores ha encontrado una herramienta más sutil.

Una larga cadena de átomos, y cada uno es un diminuto imán. Se comunican entre sí y con el campo externo, como músicos en una orquesta que escuchan tanto al director como a sus compañeros. Cuando el campo externo cambia, la orquesta o toca desafinada o todos los instrumentos entran sincronizados: eso es una transición de fase cuántica.

Si comprimes un trozo de metal común, se calienta; esto lo sabe incluso quien ha inflado la rueda de una bicicleta. Pero, ¿qué ocurre si comprimes un imán en el que las agujas atómicas se niegan a quedarse quietas incluso en el cero absoluto?

Si cada segundo se comprueba dónde está un electrón, sus propiedades cuánticas cambian. Es como un niño que juega al escondite pero le llaman por su nombre constantemente: se queda quieto y deja de correr. En el mundo de las partículas, ese «llamador» es una medición.

Diminutos imanes en una red, el clásico modelo de Ising, suelen describir cómo los vecinos se influyen entre sí. Pero, ¿qué ocurre cuando el sistema es observado de cerca? Cada medición de la energía de un enlace es como una mirada que obliga a los imanes a 'decidir' su estado.

Los materiales magnéticos a veces se comportan como discutidores que no logran ponerse de acuerdo: unos enlaces entre átomos tiran hacia un lado y otros hacia el opuesto. Cuando hay muchos conflictos de este tipo, el sistema queda "frustrado": no puede encontrar un estado de reposo único.

El cristal cambia su geometría interna como el armazón de un edificio que se ladea ligeramente durante un terremoto.

Un diario pierde páginas, pero la historia emigra al resto. Los agujeros negros actúan de forma similar: al encogerse (como demostró Stephen Hawking), la información tragada no debería desaparecer; eventualmente vuelve a aflorar. La teoría predice una curva específica de subida y bajada para este escape.

Los electrones en un conductor se comportan como una multitud en una escalera mecánica: cada uno por su cuenta, pero juntos crean un flujo. Si los hacemos girar en un anillo, su momento angular (una medida de la rotación) puede acoplarse al campo magnético, como engranajes en un reloj.

Una película magnética dividida en diminutas celdas con flechas se comporta como una multitud en una plaza. Mientras hace frío, todas las flechas apuntan en la misma dirección: orden perfecto. Calienta la película y las flechas empiezan a agitarse como transeúntes que han perdido su rumbo.

Una multitud en una estación de metro se mueve más lenta que los individuos: cada uno estorba al vecino. Algo parecido ocurre en una nube densa de átomos magnéticos que se transfieren energía entre sí. Antes se pensaba que la velocidad de transferencia dependía solo de las propiedades de los propios átomos.

Los físicos construyeron una cadena de átomos de Rydberg: átomos con electrones en órbitas enormes, del tamaño de trayectorias planetarias. Estos átomos gigantes sienten fuertemente a sus vecinos, convirtiendo la cadena en un análogo cuántico de una cuerda.

Un péndulo recibe un impulso, pero no vuelve a su posición inicial tras un período, sino tras dos. Así se comporta un cristal de tiempo discreto, una fase de la materia que rompe espontáneamente la simetría de traslación temporal discreta y oscila con un período múltiplo del forzamiento externo.

Dos actores en el mismo escenario. Uno es el fermión, caprichoso y exigente, difícil de hacer que siga las reglas del simulador cuántico. El otro es el bosón, dócil y sin pretensiones, dispuesto a ocupar cualquier lugar. El director espera que el público no note el cambio.

Una multitud en una plaza. Al principio, cada uno gira a su propio ritmo, pero de repente la música cambia y todos comienzan a moverse sincrónicamente, como un solo cuerpo. Más o menos así se comportan los electrones en algunos metales: a veces se adhieren a impurezas magnéticas, a veces se desprenden y forman un orden colectivo.