Investigar el comportamiento colectivo de los átomos o moléculas que conducen a las fases de la materia es crucial para comprender fenómenos como la magnetización, la superfluidez y la superconductividad. Las leyes de la física cuántica gobiernan la dinámica subyacente de tal comportamiento colectivo; sin embargo, simular la dinámica cuántica que involucra una gran cantidad de átomos a menudo es imposible para las computadoras clásicas.
En 1982, el premio Nobel Richard Feynman anticipó que esta dificultad podría superarse utilizando un sistema cuántico controlable para estudiar otro sistema cuántico menos accesible. Este sistema cuántico controlable que podemos utilizar para comprender otras situaciones físicas se conoce hoy como simulador cuántico.
Científicos de la Université Paris-Saclay y del Centro Nacional Francés de Investigaciones Científicas (CNRS), en colaboración con otras instituciones [1], incluidos científicos de PASQAL, investigaron las fases de la materia en materiales magnéticos a nivel atómico utilizando un procesador cuántico de átomos neutros. Utilizaron con éxito átomos de rubidio (que oscilan entre 42 y 100 qubits) para emular la dinámica cuántica en materiales que conducen a dos fenómenos magnéticos diferentes conocidos como ferromagnetismo y antiferromagnetismo.
El ferromagnetismo está presente en el hierro, el cobalto, el níquel, algunos elementos de tierras raras y aleaciones específicas. Ejemplos de sustancias antiferromagnéticas son el óxido de manganeso, el cromo y el óxido de níquel.
Estos nuevos resultados experimentales para los 42 qubits fueron completamente comparables con una simulación para el mismo sistema realizada por Research Computing Group en la Universidad de Harvard y en la Universidad de California, Berkeley.
“La evaluación comparativa exitosa de ese tipo de experimento complejo puede requerir simulaciones muy detalladas. Por lo general, comenzamos con un tamaño de sistema pequeño, con cuatro qubits dispuestos en un cuadrado, y nos aseguramos de comprender todo lo que sucede durante la dinámica cuántica, luego ampliamos las simulaciones a 42 qubits. En este punto, necesitábamos hacer algunas aproximaciones para poder ejecutarlas en tiempos razonables en un clúster de computadoras”, aclara Lucas Leclerc, ingeniero de software cuántico de PASQAL, quien estuvo directamente involucrado en el experimento.
Sin embargo, ninguna de las computadoras clásicas de última generación involucradas en este estudio pudo simular la dinámica para el caso de 100 átomos. Aunque era imposible comparar con las simulaciones clásicas, las observaciones experimentales que utilizan 100 qubits son consistentes con las expectativas teóricas. Estos resultados fueron publicado en Naturaleza.
Pero, ¿qué son los materiales ferromagnéticos o antiferromagnéticos? ¿Y cómo podemos usar los átomos de rubidio para recrear el comportamiento colectivo cuántico de los átomos de hierro o cromo y la aparición de estas fases magnéticas en la materia? Vamos a sumergirnos en los detalles.
Los átomos como pequeños imanes
Los materiales ferromagnéticos se pueden convertir en imanes mediante la aplicación de un campo magnético externo, y sus propiedades magnéticas permanecen incluso después de que se apaga el campo magnético externo. Este comportamiento proviene de sus propiedades fundamentales a nivel atómico. En estos materiales, sus átomos actúan como pequeños imanes, una propiedad cuántica llamada espín, debido a su estructura electrónica interna. Cuando se aplica el campo magnético externo, influye en los espines y, dado que están lo suficientemente cerca uno del otro en el material, cada espín también influye en sus vecinos reforzándose entre sí, alineándose todos juntos, convirtiendo el material en un imán.
Para ilustrar el ferromagnetismo, imagina que representamos el espín atómico con flechas (como la flecha magnetizada en una brújula). En la fase ferromagnética, todas las puntas de las flechas se pueden encontrar apuntando en la misma dirección con la misma probabilidad.
Este tipo de magnetismo se destruye a altas temperaturas. Cuando el material se calienta a una determinada temperatura llamada punto de Curie, diferente para cada material, deja de ser un imán.
En el antiferromagnetismo, los átomos también actúan como pequeños imanes pero, en este caso, a bajas temperaturas, se alinean espontáneamente en direcciones opuestas para que su magnetismo se anule y el material no presente propiedades magnéticas macroscópicas. Este comportamiento colectivo antiparalelo desaparece al calentar el material a una temperatura específica llamada punto Néel.
De nuevo, imagina los giros como flechas; sus cabezas alternarían en direcciones opuestas en la fase antiferromagnética.
Emulando el surgimiento del ferromagnetismo y el antiferromagnetismo con qubits
En su trabajo, Antoine Browaeys, Thierry Lahaye y sus colegas utilizaron átomos de rubidio neutros, cada uno de ellos atrapado con láseres intensos y afinados llamados pinzas ópticas, para recrear un modelo cuántico, conocido como modelo XY, de cómo el ferromagnetismo bidimensional y anti-ferromagnetismo surgen en la naturaleza.
Con estas pinzas ópticas, los científicos colocaron los átomos de rubidio en una matriz cuadrada, una con 42 qubits y la otra con 100 qubits, que representan cómo se organizarían los átomos en el material ferromagnético. Luego, codificaron el espín atómico del material ferromagnético llevando los átomos de rubidio a sus estados de Rydberg. Los estados de Rydberg son estados electrónicos de muy alta energía en los que los átomos se polarizan y se comportan como pequeños dipolos. Cada uno de estos dipolos interactúa con sus vecinos, recreando la forma en que los átomos del material ferromagnético original interactúan con sus vecinos.
En este punto, los dipolos se pueden orientar en cualquier dirección. Con esta configuración experimental, los científicos emularon la dinámica cuántica que ocurre en un material magnético, en dos dimensiones, antes de que surgiera el ferromagnetismo o el antiferromagnetismo.
Al iluminar con luz de frecuencias específicas cada uno de los dipolos y controlar que no haya transferencia de calor en el proceso, llevaron la matriz a la fase ferromagnética donde todos los dipolos se alinean, con las puntas de las flechas apuntando en la misma dirección todos. En seguida. Este modelo es completamente cuántico, y debido a que solo podemos calcular probabilidades en la física cuántica, estos giros, que apuntan todos en la misma dirección, se pueden medir para que estén en cualquier dirección con la misma probabilidad.
Los científicos repitieron el experimento, pero esta vez partiendo de un estado de energía diferente y conduciendo el sistema a la fase antiferromagnética, con las cabezas de las flechas vecinas apuntando en direcciones antiparalelas, nuevamente en cualquier dirección antiparalela con la misma probabilidad.
Ciencia de alta calidad que conduce a tecnologías disruptivas
En un trabajo anterior, también publicado en Nature, Antoine Browaeys, Thierry Lahaye y colaboradores ya demostraron su capacidad para realizar un modelo más simple, conocido como modelo de Ising, de antiferromagnetismo utilizando 196 qubits. Sin embargo, ese modelo de experimento no requería el nivel de control necesario para este nuevo experimento, donde realizaron el modelo XY cuántico completo, para el cual los científicos desarrollaron nuevas tecnologías que mejoraron significativamente su control sobre cada qubit con alta fidelidad.
“Para mí, como experimentador, un aspecto importante de este experimento, más allá de los resultados de la física en sí, es que pudimos armar todas estas nuevas herramientas, estos nuevos láseres, que nos permitieron lograr un alto nivel de control sobre cada uno de ellos. átomo en la matriz con alta fidelidad”, explica Thierry Lahaye, investigador del Centro Nacional de Investigaciones Científicas de Francia (CNRS) y cofundador de PASQAL.
Este avance experimental es un gran paso adelante en la mejora de las simulaciones cuánticas para sistemas con muchos átomos y en el desarrollo de la fidelidad de la computadora cuántica, donde necesitamos un control absoluto de cada uno de los átomos.
Este novedoso experimento realizado en la Université Paris-Saclay de Francia abre la puerta a la exploración de la dinámica cuántica de las interacciones de muchos cuerpos en un simulador cuántico programable en situaciones en las que fallan los métodos clásicos tradicionales. Las innovaciones en la computación cuántica nos permitirán comprender problemas de la vida real, como la ciencia de los materiales o la medicina molecular.
La tecnología de PASQAL se basa en conocimiento científico de alta calidad producido junto con nuestros colaboradores de instituciones de clase mundial. El año pasado, demostramos nuestra capacidad para controlar cientos de átomos neutros en nuestros procesadores cuánticos, y ahora estamos en una hoja de ruta sólida para lograr miles de qubits.
Referencias
Chen, C., Bornet, G., Bintz, M. et al. Ruptura de simetría continua en un arreglo Rydberg bidimensional. Naturaleza (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05859-2. Preimpresión disponible: 2207.12930.pdf (arxiv.org).
[1]Lista completa de instituciones: Universite Paris-Saclay, Institut d’Optique Graduate School, CNRS, Laboratoire Charles Fabry, University of California, Berkeley, PASQAL SAS, California Institute of Technology, Nanomaterials and Nanotechnology Research Center (CINN-CSIC), Universidad de Oviedo (UO), Universidad Técnica de Múnich, Centro de Ciencia y Tecnología Cuántica de Múnich (MCQST), Universitaet Innsbruck, Laboratorio de Física Teórica y Computacional, Instituto Paul Scherrer, Instituto de Física, Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL), Lawrence Berkeley Laboratorio Nacional, Berkeley, Universidad de Harvard.