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  • 03/04/2019

Física

Una máquina cuántica que parece desafiar la tendencia natural al desorden

Uno de los primeros simuladores cuánticos creó un fenómeno desconcertante: una hilera de átomos que repetidamente recuperaban su estado. Los físicos vienen esforzándose por explicarlo.

Nature

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Una vista del laboratorio donde se construyó la máquina cuántica de 51 átomos [por cortesía de Mikhail Lukin].

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Panorama contemporáneo de una teoría fundamentalLa mecánica cuántica nació hace 90 años para explicar las propiedades de los átomos y la luz. Hoy, sin embargo, la teoría es vista a menudo como un formalismo estrechamente ligado a un concepto mucho más abstracto y universal: el de información. Desde finales del siglo pasado, ese enfoque ha dado lugar a una avalancha de publicaciones sobre los fundamentos de la teoría, sus posibilidades computacionales, su relación con el mundo macroscópico y su encaje con la gravedad. De la mano de 17 expertos, este monográfico te ofrece una pincelada única del estado actual de estas líneas de investigación y te brinda un prisma moderno para entender una de las teorías físicas más profundas y fascinantes de todos los tiempos.

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Con tiempo suficiente, hasta una habitación ordenada se desordena. Ropa, libros, papeles abandonarán su estado ordenado y se dispersarán por el suelo. Por desgracia, esta tendencia hacia el desorden responde a una ley de la naturaleza. El desorden tiende a crecer.

Si, por ejemplo, se abre una botella de oxígeno presurizado para submarinistas, las moléculas de aire que tiene dentro saldrán afuera y se repartirán por la habitación. Si se pone un cubo de hielo en agua caliente, las moléculas de agua congeladas dentro de una red ordenada, cristalina, romperán sus lazos y se dispersarán. Al mezclarse y dispersarse, un sistema hace por alcanzar el equilibrio con su entorno: a este proceso se le llama termalización.

Es lo común y lo intutitivo, y lo que un equipo de físicos esperaba ver cuando dispusieron 51 átomos de rubidio en una fila y los mantuvieron en su sitio con láseres. Los átomos se encontraban al principio en un estado ordenado; alternaban entre un estado «fundamental», el de menor energía, y un estado excitado de mayor energía. Los investigadores daban por sentado que el sistema se termalizaría enseguida: que el patrón de estados fundamentales y excitados se asentaría casi inmediatamente en una secuencia embarullada.

Y al principio, se embarulló. Pero entonces, asombrosamente, volvió a la secuencia alterna original. Tras mezclarse de nuevo un poco, volvió de nuevo a la configuración inicial. Y fue y vino, oscilando unas cuantas veces en menos de un microsegundo, hasta mucho después de que hubiese debido termalizarse.

Era como si se pusiese un cubo de hielo en agua caliente y no se limitara a derretirse, dice Mikhail Lukin, físico de la Universidad de Harvard y director del grupo. «Lo que hemos visto vendría a ser que el hielo se derritiese y se cristalizase, se derritiese y se cristalizase», dice. «Es algo verdaderamente inusual».

Los físicos han llamado a este peculiar comportamiento «cicatrización cuántica de muchos cuerpos». Los átomos parecen llevar una impronta del pasado, como si fuese una cicatriz, que los retrotrae a su configuración original una y otra vez.

En los 16 meses que han pasado desde que se publicase este resultado en Nature, varios grupos de físicos han querido entender la naturaleza de esas cicatrices cuánticas. Algunos creen que el descubrimiento quizá presagie una nueva categoria concerniente a cómo interaccionan y se comportan las partículas cuánticas, una categoría que desafiaría la premisa de los físicos de que un sistema así tiene que seguir una marcha inexorable hacia la termalización. Además, la cicatrización conduciría a nuevos tipos de bits cuánticos de larga duración, un componente básico de cualquier ordenador cuántico futuro.

Vencer a la probabilidad cero

De hecho, cuando el equipo de físicos construyó el sistema de 51 átomos tenían sus miras puestas en la computación cuántica. El sistema era, en efecto, un simulador cuántico, una máquina diseñada para simular procesos cuánticos que no se podrían investigar con un computador clásico. En aquel momento, era el mayor simulador cuántico jamás construido.

Los átomos de la máquina de Harvard hacían de qubits: sus estados encendido y apagado eran el estado fundamental y un estado excitado, un «estado de Rydberg». El sistema les permite a los investigadores que lo afinen como deseen, por ejemplo ajustando la intensidad con que los átomos interaccionan entre sí.

Prepararon varias configuraciones iniciales de estados fundamentales y excitados. Como los átomos interaccionan intensamente entre sí, tendrían que termalizarse. En vez de entremezclarse como las moléculas de un gas, sin embargo, los átomos de este tipo de sistema cuántico desarrollan entre sí unas conexiones cuánticas profundas, que reciben el nombre de entrelazamiento. «Entonces, el entrelazamiento simplemente se extiende», explica Lukin. «Así es como se produce la termalización».

Por lo usual, el entrelazamiento crecía en el simulador. Pero cuando los investigadores se pusieron a experimentar con la configuración de estados fundamentales y excitados alternos, las partículas se entrelazaron y luego se desentrelazaron, oscilando a medida que salían de y reentraban en su configuración inicial.

Ese comportamiento parecía improbable hasta el punto de ser imposible. Una vez empezaron los átomos a interaccionar, el patrón alterno debería haber sido olvidado rápidamente, ya que los átomos pueden hacer transiciones a un número enorme de posibles secuencias de estados excitados y fundamentales. Es como lo de la botella de buceo, cuyas moléculas de aire escapan de su configuración inicial de dentro de la botella y se dispersan por la habitación. Las moléculas tienen tantos lugares posibles para explorarlos que la probabilidad de que todas se concentren espontáneamente en la botella es cero a todos los efectos.

«El sistema cuántico disponible puede existir en tantos estados posibles que les sería dificilísimo volver atrás y encontrar de donde vinieron», dice Zlatko Papić, físico de la Universidad de Leeds.

Y, sin embargo, eso fue exactamente lo que Lukin dice que observaron. El sistema parece estar imbuido de alguna forma especial de física que le permite volver sobre sus pasos, explica Papić. «Deja migas de pan y vuelve allá de donde vino».

«Este fue el primer verdadero descubrimiento que se haya hecho con una máquina cuántica», según Lukin.

Lukin y colaboradores se pusieron a redactar un artículo sobre el experimento, pero antes de que se publicase lo describieron en una congreso celebrado en Trieste en julio de 2017. «No sabíamos qué hacer con ello», dice Papić, que estaba entre el público ese día. «No creo que hubiese  nadie entre los asistentes que tuviese la menor idea de cuál era la razón de algo así».

Cicatrices en el estadio

Pero poco después Papić, con sus colaboradores, cayó en la cuenta de que el comportamiento recordaba a un fenómeno descubierto hace unos treinta años.

En la década de 1980, el físico Eric Heller, de Harvard, exploró el caos cuántico: ¿qué pasa cuando se aplica la mecánica cuántica a sistemas caóticos? En particular, Heller pensó en una bola de billar que rebota dentro de un «estadio de Bunimovich», un rectángulo al que se le recortan en redondo las esquinas. El sistema es caótico; con tiempo suficiente, la bola cubrirá todas las trayectorias posibles dentro del estadio. Pero si a la bola se la pone en marcha con un ángulo determinado, recorrerá para siempre una y otra vez el mismo camino.

Heller reemplazó en un experimento mental la bola con una partícula cuántica. «Lo que se esperaría ingenuamente es que, si el sistema clásico ya es caótico», explica Papić, al añadir las reglas de la mecánica cuántica «el comportamiento fuese aún más caótico». La función de onda de la partícula (que encapsula matemáticamente, de forma abstracta, sus propiedades cuánticas) debería extenderse sobre el estadio como las ondas cubren la superficie de un estanque. La probabilidad de encontrar la partícula en un sitio determinado tendría que ser la misma en cualquier punto del estadio.

Heller, en cambio, descubrió que en vez de ese extenderse homogéneamente, la función de onda de la partícula se concentraba a lo largo de las mismas trayectorias que, en el caso clásico, la partícula vuelve a recorrer. Es como si las ondas desarrollasen un recuerdo de esa trayectoria especial. «Para ellas, es como ir a casa», según Heller. «Realmente quieren volver a donde nacieron. Es así de simple».

Mientras se aferra a esa trayectoria, la onda de la partícula interfiere constructivamente consigo misma: las crestas se suman a las crestas y los valles, a los valles. Como resultado, lo más probable es que la partícula resida en alguna parte a lo largo de ese camino. En una gráfica, la distribución de probabilidad de la partícula se parece a una versión borrosa de esas trayectorias clásicas periódicas. «A mí me recordaban a cicatrices», dice Heller. Y así es como las llamó en su artículo de 1984.

En un estadio de Bunimovich, las trayectorias donde es más probable que se encuentre una partícula recuerdan a cicatrices [Eric Heller].Un fenómeno similar, quizá, podría explicar por qué el sistema de 51 átomos vuelve repetidas veces a su configuración inicial. Y también quizá añoraba el hogar.

El corte que crea la cicatriz

Para saberlo, Papić y sus colaboradores analizaron los estados cuánticos de un modelo del sistema de 51 átomos. Hallaron que su extraño comportamiento oscilatorio se parecía realmente a la cicatrización cuántica de Heller. Identificaron unos estados que se parecían a los estados especiales correspondientes a las trayectorias cicatrizadas. Al volver periódicamente a esos estados, el sistema podía evitar la termalización. La conexión con la cicatrización cuántica era tan sugerente que, en un artículo aparecido el año pasado en Nature Physics, apodaron al fenómemo como «cicatrización cuántica de muchos cuerpos».

Pese a cierto escepticismo inicial con respecto al análisis de Papić, Lukin, junto con Wen Wei Ho, físico de Harvard, y otros hizo más explícita la conexión en un artículo publicado en enero. Encontraron una forma clásica de describir el estado del sistema de 51 átomos como un punto en un espacio abstracto. A medida que el estado del sistema cambia, el punto va moviéndose por ese espacio. Los investigadores obtuvieron que cuando el sistema experimenta sus raras oscilaciones, el punto va pegando tumbos de una parte a otra de una manera que recuerda a las especiales trayectorias periódicas de una bola a través de la mesa de billar del estadio.

Al encontrar una analogía clásica, los investigadores fortalecieron la opinión de que el fenómeno descubierto por Heller para un solo cuerpo se aplica realmente a un sistema de muchos. «Esta gente ha dado con algo», dice Heller. «Verdaderamente lo ha dado».

Lo que está claro es que el experimento ha despertado el interés de investigadores de todo el mundo. Un grupo, del Instituto de Tecnología de California, ha hallado las expresiones matemáticas que representan algunos de los estados especiales de cicatrización del sistema de 51 átomos. Según otro grupo, de la Universidad de Princeton, las cicatrices podrían formar parte de un fenómeno más amplio, con aplicaciones en diferentes áreas de la física de la materia condensada. «Nos va pareciendo que entendemos qué pasa en este sistema», dice Ho. «Pero no tenemos todavía una receta general sobre cuándo se pueden encontrar otras trayectorias cicatrizadas»

Y siguen pendientes cuestiones más profundas. «'Cicatrices' es útil como descripción del problema», afirma Vedila Khemani, físico de Harvard que no intervino en el experimento. «Pero no creo que tengamos todavía conocimiento alguno de la causa de la cicatriz».

Estructura en la aleatoriedad

Pese a estas incógnitas, la cicatrización de muchos cuerpos emocionan a los físicos porque podría representar una nueva clase de sistema cuántico.

A lo largo de los últimos años, los físicos han explorado otra clase así, llamada localización de muchos cuerpos, donde impurezas aleatorias impiden que un sistema se termalice. A modo de analogía, piénsese en un rebaño de vacas que vagan en un paisaje plano. Las vacas acabarán dispersándose; llamémosle a esto termalización bovina. Pero si en el paisaje hay al azar unas colinas, las vacas se quedarán encerradas en los valles.

De manera parecida, el sistema cuántico de muchos cuerpos cicatrizado no es un sistema termalizado, caótico. Pero, sin embargo, en él no hay nada que haga las veces de las colinas. «Ese trabajo da a entender que hay una nueva clase de sistema que está entre las dos cosas», dice Papić.

Para explicar la cicatrización, el análisis de Khemani apunta a que el sistema de 51 átomos podría ser (o al menos estar cerca de serlo) un sistema integrado. Un sistema así es un caso especial aislado, con muchas ligaduras y características afinadas de manera tal que impiden que llegue alguna vez a termalizarse. Por lo tanto, si el sistema cicatrizado es integrable, puede que se trate de un caso único dentro de una clase más amplia de fenómenos.

Los físicos llevan estudiando los sistemas integrables muchos años, y si el sistema es integrable, dice Papić, lo que de ello se derivaría es menos convincente que si se tratase de un sistema cuántico singular. Papić, Ho y Lukin han escrito un artículo que va en contra de esa posibilidad.

Indepedientemente de que la cicatrización de muchos cuerpos sea una nueva clase de comportamiento clásico, el descubrimiento apunta a la fascinante posibilidad de que podría usarse al final para mejorar los computadores cuánticos.

Una de las dificultades de construir un ordenador cuántico es la necesidad de proteger sus frágiles qubits. Cualquier perturbación procedente del entorno exterior puede hacer que los qubits se termalicen, lo que borra la información almacenada y vuelve inútil al ordenador. «Si se puede encontrar una forma genérica de inducir la cicatrización en otros sistemas, se podrá quizá proteger la información cuántica durante mucho tiempo», sostiene Ho.

La cicatrización, entonces, ofrecería una forma por la que el computador podría mantener su memoria y preservar así el pasado antes de que la termalización no deje rastro de él.

«Hay alguna bella estructura que de alguna manera coexiste con un entorno totalmente aleatorio», explica Papić. «¿Qué tipo de física deja que esto ocurra? Es un tipo de pregunta profunda que atraviesa muchas áreas de la física, y creo que esta es otra de sus encarnaciones». 

Marcus Woo / Quanta Magazine

Artículo traducido por Investigación y Ciencia con permiso de QuantaMagazine.org, una publicación independiente promovida por la Fundación Simons para potenciar la comprensión de la ciencia.

Referencia: «Probing many-body dynamics on a 51-atom quantum simulator», de Hannes Bernien et al. en Nature volumen 551páginas 579584 (30 de noviembre de 2017).

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