simulación cuántica

Un agujero negro es un laberinto del que no se puede salir. Pero, ¿qué ocurre con la información en su interior? Para comprobarlo, los físicos no viajaron hasta el agujero más cercano, sino que construyeron una diminuta réplica en un procesador cuántico.

El instrumento ilumina la muestra con un haz infrarrojo y las moléculas responden con su patrón de absorción, como campanillas de distinto tono. Ese patrón, el espectro, guarda información sobre la composición química.

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.

Un simulador cuántico de trampas de iones se parece a una orquesta donde cada ion es un músico y el bus de fonones (las vibraciones colectivas) es el director que transmite las señales. Mientras todos tocan la misma melodía, todo va bien.

Los cálculos computacionales del comportamiento de los materiales han sufrido durante mucho tiempo de dos extremos: o modelos rápidos pero inexactos, o cálculos físicos precisos pero lentos. Los programas modernos, entrenados con datos, casi han resuelto este dilema; ahora el cuello de botella no es la potencia, sino la rutina humana: configurar simulaciones y verificar resultados.

La transferencia de energía en la fotosíntesis se parece a un tobogán: se hunde bajo el peso de uno, cambiando el camino para el siguiente. Así sucede en la hoja: el estado excitado de una molécula reconfigura instantáneamente el «paisaje» de las vecinas. Los físicos reproducen este efecto con iones suspendidos en una cámara trampa al vacío.

La computadora cuántica promete resolver problemas que la clásica no puede. Pero, ¿dónde está la frontera? Los autores del nuevo trabajo se toparon con un caso sorprendente: los electrones agrupados en pares se comportan como una orquesta disciplinada. Incluso si se añade un poco de «magia» —un recurso cuántico especial—, su comportamiento sigue siendo predecible.

En una trampa de campos, los científicos ensamblaron un cristal — 150 iones a temperatura ultrabaja. Cada ion se comporta como un diminuto imán, capaz de girar en cualquier dirección. Controlando fuerzas que dependen de este espín, los físicos hicieron que todos los pequeños imanes se arremolinaran en un remolino común, llamado skyrmion.

Dentro de una estrella en explosión, los neutrinos se precipitan tan densamente que empiezan a influirse mutuamente. Sus estados cuánticos se entrelazan, como hilos en una madeja apretada donde ya no se distingue cuál es de quién. Las computadoras ordinarias apenas pueden con semejante tarea, pues el número de estados posibles crece de forma avalancha.

Un columpio triangular nunca se calma: uno de los tres átomos siempre está en el aire. Así es un imán frustrado: una danza eterna sin reposo. Para estudiarlo, los físicos construyeron un simulador cuántico de 256 átomos que reproduce fielmente el cristal TmMgGaO₄.

Un rayo láser mantiene un ion individual en el vacío, y este ion se comporta como una canica encerrada entre dos hoyos. Los hoyos no son agujeros en el suelo, sino regiones donde al ion le resulta energéticamente favorable estar. En el mundo clásico, la canica rodaría hacia uno de los hoyos y se quedaría allí.

La luz y la materia en el mundo diminuto siguen leyes difíciles de calcular incluso con supercomputadoras. Los físicos construyen 'simuladores cuánticos' especiales: instalaciones donde átomos fríos hacen el papel de partículas y campos.

La goma elástica está estirada y, de repente, se rompe. En el mundo de los átomos hay una imagen similar: la cuerda que une las partículas puede romperse. En un nuevo trabajo, los físicos tomaron una cadena de átomos de Rydberg y siguieron cómo se rompe esa cuerda.

Una computadora cuántica de iones atrapados hizo las veces de un pequeño universo. En él, las partículas no solo se movían, sino que se tejían en nudos que cambian sus propiedades al intercambiar posiciones. Estos nudos se llaman anyones de Fibonacci: no son partículas ordinarias, sino más bien vórtices en el tejido del espacio.

El ultrasonido en un líquido es como agitar rápidamente una botella de refresco: al agitarla, aparecen burbujas. Solo que en ciencia esto se llama cavitación, y las burbujas no simplemente flotan, sino que nacen, crecen y estallan con una fuerza enorme.

Una estrella de neutrones es una esfera del tamaño de una ciudad, pero pesa como una vez y media el Sol. Dentro de esa esfera, la materia está tan comprimida que una cucharadita pesaría miles de millones de toneladas. Pero los físicos no saben con certeza de qué está hecha exactamente esa materia.

Seis iones de bario se alinean formando un hexágono plano dentro de una trampa de Paul, un dispositivo que retiene partículas cargadas mediante campos eléctricos alternos.

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.

En 2023, un grupo de investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge ejecutó en la supercomputadora Theta la simulación de un circuito cuántico de 61 cúbits. Para almacenar su vector de estado se habrían necesitado 32 exabytes de memoria, más que la capacidad total de todos los discos duros del planeta.

En 1982, el físico Richard Feynman propuso una idea sencilla: para entender un sistema cuántico, hay que construir otro sistema cuántico que se comporte igual. Así nació el simulador cuántico: un dispositivo que no calcula ecuaciones, sino que las reproduce en su propio comportamiento.