- La Universidad de Oxford utiliza un ordenador cuántico híbrido para reproducir el efecto Aharonov–Bohm.
- El estudio muestra que las partículas pueden detenerse sin interactuar con el campo magnético.
- El experimento ayuda a simular interacciones difíciles de modelar con ordenadores clásicos.
- La investigación muestra que la arquitectura cuántica híbrida permite explorar interacciones físicas fundamentales.
Las partículas cuánticas pueden moverse entre dos posiciones mediante un proceso denominado túnel. Sin embargo, ¿qué ocurre si una partícula se detiene repentinamente a causa de un campo magnético con el que nunca interactuó directamente? Los físicos de la Universidad de Oxford han reproducido este comportamiento contraintuitivo mediante un ordenador cuántico híbrido, mostrando el efecto Aharonov–Bohm que surge en la simulación de sistemas cuánticos. El efecto Aharonov–Bohm se produce cuando una partícula rodea una región que contiene flujo magnético; aunque nunca atraviese ese campo, experimenta un cambio en su fase cuántica.
En el experimento de la Universidad de Oxford, este efecto hace que las posibles trayectorias de la partícula se anulen mutuamente, suprimiendo por completo su túnel entre las dos posiciones. Estos hallazgos podrían ayudar a los científicos a simular interacciones fundamentales cada vez más difíciles de modelar con ordenadores clásicos.
Método experimental de la Universidad de Oxford
Se establece un bucle cuántico a partir de iones atrapados. En la física cotidiana, las partículas cargadas reaccionan a los campos eléctricos y magnéticos que encuentran. Sin embargo, la mecánica cuántica permite fenómenos más sutiles. Al rodear una región que contiene flujo magnético, una partícula puede adquirir un cambio de fase medible incluso si nunca entra en la región donde se encuentra el campo. Los físicos Yakir Aharonov y David Bohm predijeron este efecto en 1959, y posteriormente se confirmó con experimentos con electrones reales. Los investigadores de Oxford estudian ahora el comportamiento del mismo fenómeno en la teoría de gauge en red, un marco matemático que describe las interacciones entre materia y campos en la física de partículas.
En estas teorías, la materia ocupa los puntos de una red, mientras que los campos de gauge conectan esos puntos. A medida que estos sistemas crecen, calcular su comportamiento con ordenadores clásicos se vuelve cada vez más difícil. La simulación cuántica ofrece una alternativa: los investigadores construyen un sistema físico que sigue las reglas subyacentes del modelo que desean estudiar y luego observan su comportamiento.
Desde 2022, los autores del estudio llevaron a cabo un experimento para simular la teoría de gauge en red, un marco para investigar cómo la materia interactúa con los campos de gauge. Su sistema híbrido combina dos componentes con funciones distintas. Los qubits codificados en los estados electrónicos internos de los iones atrapados representan el campo de gauge. Los osciladores cuánticos correspondientes a las vibraciones de los iones representan la materia. Los investigadores conectaron los dos osciladores mediante dos qubits que representan el campo entre ellos, lo que equivale a la materia en dos posiciones. En conjunto, estos componentes forman un bucle, un bloque constructivo fundamental de la teoría.
El equipo empleó operaciones digitales para preparar y medir el sistema, mientras que la evolución cuántica análoga permitió simular las interacciones.
Codificación dinámica del flujo magnético
El flujo magnético que anula el movimiento de la partícula. Los investigadores prepararon esos dos qubits en un estado entrelazado, cuyas propiedades cuánticas están vinculadas de una manera que no tiene equivalente clásico. En la simulación, este estado representa el flujo magnético a través del bucle. Codificar el flujo de esta manera fue inicialmente una solución práctica: el hardware no podía proporcionar la interacción necesaria para introducir el flujo como un fondo fijo. Sin embargo, este enfoque también permitió a los investigadores explorar algo más interesante: un campo de gauge que puede evolucionar junto con la materia con la que interactúa. “Para nosotros, un paso emocionante es codificar el flujo en un campo de gauge que es dinámico por sí mismo.
La materia ya no evoluciona en un fondo fijo, sino que la materia y el campo de gauge se convierten en parte de la misma dinámica cuántica”, afirma Sebastian Saner, investigador principal y posdoctoral de la Universidad de Oxford.
A continuación, los investigadores observaron una partícula de materia que realizaba túnel entre las dos posiciones del bucle. Sin flujo magnético, la partícula puede tunelar libremente. Cuando los investigadores introdujeron el flujo, las dos posibles trayectorias sufrieron interferencia destructiva, cancelando el proceso de túnel y devolviendo el sistema a su estado inicial. “En ese momento observamos la interferencia de Aharonov–Bohm, utilizando el campo de gauge dinámico que codifica el flujo, lo que demuestra la interacción entre carga y flujo.”
Aplicaciones futuras de la simulación cuántica
Ampliando la simulación cuántica a las interacciones fundamentales. Este experimento proporciona una forma de estudiar cómo la materia y los campos magnéticos interactúan en sistemas cuánticos. Con un desarrollo adicional, simulaciones similares podrían ayudar a los investigadores a abordar interacciones más complejas que resultan difíciles de modelar para los ordenadores clásicos. En un estudio relacionado, el equipo dirigido por el profesor Norbert Linke de la Universidad de Maryland utilizó un sistema cuántico híbrido para simular el potencial de Yukawa, relevante para la física nuclear y de partículas. En conjunto, estas investigaciones muestran cómo las arquitecturas cuánticas híbridas pueden ayudar a los científicos a explorar las fuerzas e interacciones fundamentales que moldean el mundo físico.
El estudio se ha publicado en la revista Nature Physics.
Elemento Especificación Institución de investigación Universidad de Oxford Tipo de sistema cuántico Ordenador cuántico híbrido Efecto predicho Efecto Aharonov–Bohm
Potencial y desafíos de la computación cuántica híbrida
Esta investigación muestra el potencial de los ordenadores cuánticos híbridos para explorar las interacciones fundamentales de la física cuántica. La reproducción del efecto Aharonov–Bohm no solo valida las predicciones de la teoría cuántica, sino que también brinda a los científicos un nuevo método para simular sistemas físicos complejos. A medida que avanza la tecnología de computación cuántica, este tipo de experimentos ayudarán a resolver problemas que los ordenadores clásicos no pueden tratar eficazmente, impulsando el desarrollo de la física y campos relacionados. Los resultados no solo tienen gran relevancia para la ciencia básica, sino que también podrían tener un impacto profundo en futuras aplicaciones tecnológicas.