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30 ene 2018
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Por Lucas Lamata y Enrique Solano (UPV/EHU). El Grupo QUTIS, www.qutisgroup.com, de la Universidad del País Vasco en Bilbao, liderado por el Dr. Lucas Lamata y el Profesor Ikerbasque Enrique Solano, ha llevado a cabo un experimento en colaboración con el grupo experimental de iones atrapados del Prof. Kihwan Kim, en la Universidad de Tsinghua, Pekín (China).
(a) Colisión de partículas. (b) codificación de un problema de colisión en un sistema de iones atrapados
El trabajo ha sido publicado en la prestigiosa revista Nature Communications. Se trata de la realización experimental de una propuesta publicada por el grupo QUTIS en 2011 en la revista Physical Review Letters. Dicha propuesta describía cómo implementar en un simulador cuántico colisiones de partículas de materia y antimateria, similares a las que tienen lugar en los grandes aceleradores de partículas. Los simuladores cuánticos son dispositivos cuánticos controlables que permiten reproducir las propiedades de sistemas cuánticos complejos a velocidades de cálculo incomparablemente mayores que con los más rápidos superordenadores clásicos. Ya el Premio Nobel de Física Richard Feynman se dio cuenta en los años 80 que para simular sistemas cuánticos de varias decenas de espines (sistemas de dos niveles cuánticos), los superordenadores clásicos actuales o futuros sufrían un colapso dimensional: la dimensión del espacio cuántico que describe el sistema (espacio de Hilbert) crece exponencialmente con el número de partes cuánticas que posee. Es por ello que, para más de 40 ó 50 espines, se asume que el cálculo ya no se puede hacer con los más rápidos superordenadores actuales, ya que no disponen de memoria y recursos suficientes. Por otra parte, apuntó Feynman, un simulador cuántico con 50 bits cuánticos, o qubits, podría simular un sistema cuántico de 50 espines eficientemente, es decir, exponencialmente más rápido que con los mejores superordenadores clásicos. Para sistemas cuánticos más grandes, la ventaja del simulador cuántico respecto al superordenador clásico crece cada vez más. En este trabajo experimental, el Grupo QUTIS, junto al laboratorio de Kihwan Kim en Tsinghua, han logrado simular la colisión de una partícula fermiónica (como, por ejemplo, un electrón), y una antifermiónica (la antipartícula del fermión), para dar lugar a partículas bosónicas como los fotones. Este experimento llega al límite de lo que se puede hacer hoy día con pequeños prototipos de ordenadores cuánticos con iones atrapados, al involucrar por primera vez grados de libertad de espín y de varios modos bosónicos en el mismo experimento (el concepto de simulador cuántico digital-analógico creado por el Grupo QUTIS en la UPV/EHU). Si bien todavía no supera en precisión a los experimentos de los grandes aceleradores, es un paso importante ya que muestra que la tecnología de combinar varios espines con varios modos bosónicos en un procesador cuántico de iones atrapados es viable y podría llegar a ser escalable en los próximos años. Las estimaciones del Prof. Solano y el Dr. Lamata apuntan a que, con unos 16 iones, cada uno con un espín (sistema cuántico de dos niveles) y un modo bosónico, la dimensión del espacio de Hilbert que podría alcanzarse iría más allá de lo que es computable con los superordenadores clásicos más avanzados. Este número de iones ya se ha conseguido atrapar con la tecnología actual, y controlar colectivamente, y con el experimento aquí reseñado del Grupo QUTIS y el laboratorio de Tsinghua se ha probado que introducir varios modos bosónicos en la dinámica de forma escalable es viable. Así pues, en los próximos años es posible que se realicen ya cálculos de colisiones de partículas en ordenadores cuánticos de unos 15-20 qubits y modos bosónicos que predigan física de altas energías que no sea posible calcular de otra forma. Los avances recientes en computación y simulación cuántica, así como el interés de multinacionales como Google, IBM, Microsoft, o Intel en este área, hacen vislumbrar un futuro no muy lejano en que los ordenadores cuánticos en la nube permitan realizar cálculos que los superordenadores clásicos más potentes actuales o futuros no conseguirían ni en toda la edad del Universo.
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Ordenador cuántico que simula colisiones de partículas de altas energías
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