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| Ordenador cuántico construido por Lukin y un equipo de investigadores. Crédito: Jon Chase/Harvard Staff Photographer |
Los líquidos cuánticos de espín, teorizados por primera vez en 1973 por el físico Philip W. Anderson, son fases exóticas de la materia con orden topológico. Presentan un entrelazamiento cuántico de largo alcance que puede aprovecharse para realizar una robusta computación cuántica. Pero el problema de este estado exótico de la materia ha sido su propia existencia: nadie lo había visto nunca, al menos durante casi cinco décadas.
"Un líquido de espín cuántico no tiene nada que ver con los líquidos cotidianos, como el agua", afirman el profesor de la Universidad de Harvard Mikhail Lukin y sus colegas.
"En cambio, se trata de imanes que nunca se congelan y de la forma en que los electrones en ellos giran".
"En los imanes normales, cuando la temperatura desciende por debajo de una determinada temperatura, los electrones se estabilizan y forman una pieza sólida de materia con propiedades magnéticas. En el líquido de espín cuántico, los electrones no se estabilizan al enfriarse, no se forman en un sólido y cambian y fluctúan constantemente (como un líquido) en uno de los estados cuánticos más enredados jamás concebidos".
El profesor Lukin y sus coautores se propusieron observar un líquido cuántico de espín utilizando el simulador cuántico programable.
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| Modelo de dímeros en conjuntos de átomos Rydberg: (A) imagen de fluorescencia de 219 átomos dispuestos en los enlaces de una red kagome; los átomos de Rydberg están marcados con dímeros rojos en los enlaces de la red kagome; (B) un estado consistente con el bloqueo de Rydberg en el llenado máximo puede verse entonces como un recubrimiento de dímeros de la red kagome, donde cada vértice es tocado por exactamente un dímero; (C) el estado líquido de espín cuántico corresponde a una superposición coherente de exponencialmente muchos recubrimientos de dímeros. Crédito de la imagen: Semeghini et al., doi: 10.1126/science.abi8794. |
El simulador es un tipo especial de ordenador cuántico que permite a los investigadores crear formas programables como cuadrados, panales o celosías triangulares para diseñar diferentes interacciones y enredos entre átomos ultrafríos.
La idea de utilizar el simulador cuántico es poder reproducir la misma física microscópica que se encuentra en los sistemas de materia condensada, especialmente con la libertad que permite la programabilidad del sistema.
"Se pueden separar los átomos tanto como se quiera, se puede cambiar la frecuencia de la luz láser, se pueden cambiar realmente los parámetros de la naturaleza de una manera que no se podía en el material donde se estudian estas cosas antes", dijo el profesor Subir Sachdev de la Universidad de Harvard.
En los imanes convencionales, los espines de los electrones apuntan hacia arriba o hacia abajo siguiendo un patrón regular.
En el imán cotidiano de la nevera, por ejemplo, los espines apuntan todos hacia la misma dirección. Esto ocurre porque los espines suelen funcionar en un patrón de caja de ajedrez y pueden emparejarse de manera que apunten en la misma dirección o en direcciones alternas, manteniendo un cierto orden.
Los líquidos de espín cuántico no muestran ese orden magnético. Esto sucede porque, esencialmente, hay un tercer espín añadido, lo que convierte el patrón de caja de damas en un patrón triangular.
Mientras que un par siempre puede estabilizarse en una u otra dirección, en un triángulo, el tercer espín siempre será el electrón impar.
Esto da lugar a un imán frustrado en el que los espines de los electrones no pueden estabilizarse en una sola dirección.
"Esencialmente, están en diferentes configuraciones al mismo tiempo con cierta probabilidad. Esta es la base de la superposición cuántica", explica la Dra. Giulia Semeghini, investigadora postdoctoral del Centro de Óptica Cuántica Harvard-Max Planck.
Los autores utilizaron el simulador para crear su propio patrón de red frustrado, colocando los átomos allí para que interactuaran y se entrelazaran.
A continuación, pudieron medir y analizar las cuerdas que conectaban los átomos después de que toda la estructura se enredara.
La presencia y el análisis de esas cuerdas, que se denominan cuerdas topológicas, significaron que se estaban produciendo correlaciones cuánticas y que había surgido el estado líquido de espín cuántico de la materia.
"El vaivén entre la teoría y el experimento es extremadamente estimulante", dijo el Dr. Ruben Verresen, investigador postdoctoral de la Universidad de Harvard.
"Fue un momento hermoso cuando se tomó la instantánea de los átomos y la configuración dímera prevista nos miró a la cara. Cabe decir que no esperábamos que nuestra propuesta se hiciera realidad en cuestión de meses".
Tras confirmar la presencia de líquidos de espín cuánticos, los científicos se centraron en la posible aplicación de este estado de la materia para crear los robustos qubits.
Realizaron una prueba de concepto que demostró que algún día podría ser posible crear estos bits cuánticos colocando los líquidos de espín cuánticos en una matriz geométrica especial utilizando el simulador.
Los investigadores tienen previsto utilizar el simulador cuántico programable para seguir investigando los líquidos de espín cuánticos y cómo pueden utilizarse para crear los qubits más robustos.
Los qubits, al fin y al cabo, son los componentes fundamentales sobre los que funcionan los ordenadores cuánticos y la fuente de su enorme capacidad de procesamiento.
"Mostramos los primeros pasos sobre cómo crear este qubit topológico, pero todavía tenemos que demostrar cómo se puede codificar y manipular realmente. Aún queda mucho por explorar", dijo el Dr. Semeghini.
Fuentes, créditos y referencias:
Giulia Semeghini et al, Probing Topological Spin Liquids on a Programmable Quantum Simulator, Science (2021). DOI: 10.1126/science.abi8794
Fuente: Universidad de Harvard