Nuevas computadoras cuánticas analógicas para resolver problemas que antes no tenían solución

Sep 04, 2023

30 de enero de 2023

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por University College Dublin

Los físicos han inventado un nuevo tipo de computadora cuántica analógica que puede abordar problemas físicos difíciles que las supercomputadoras digitales más poderosas no pueden resolver.

Una nueva investigación publicada en Nature Physics por científicos colaboradores de la Universidad de Stanford en los EE. UU. y el University College Dublin (UCD) en Irlanda ha demostrado que un nuevo tipo de computadora analógica altamente especializada, cuyos circuitos cuentan con componentes cuánticos, puede resolver problemas de vanguardia. de la física cuántica que antes estaban fuera de nuestro alcance. Cuando se amplían, estos dispositivos pueden arrojar luz sobre algunos de los problemas sin resolver más importantes de la física.

Por ejemplo, los científicos e ingenieros han querido durante mucho tiempo obtener una mejor comprensión de la superconductividad, porque los materiales superconductores existentes, como los que se utilizan en las máquinas de resonancia magnética, los trenes de alta velocidad y las redes eléctricas de larga distancia con eficiencia energética, actualmente funcionan solo a temperaturas extremadamente bajas. , limitando su uso más amplio. El santo grial de la ciencia de los materiales es encontrar materiales que sean superconductores a temperatura ambiente, lo que revolucionaría su uso en una gran cantidad de tecnologías.

El Dr. Andrew Mitchell es director del Centro de Ingeniería Cuántica, Ciencia y Tecnología de la UCD (C-QuEST), físico teórico de la Facultad de Física de la UCD y coautor del artículo.

Dijo: "Ciertos problemas son simplemente demasiado complejos para que los resuelvan incluso las computadoras clásicas digitales más rápidas. La simulación precisa de materiales cuánticos complejos, como los superconductores de alta temperatura, es un ejemplo realmente importante: ese tipo de cálculo está mucho más allá de las capacidades actuales porque del tiempo de computación exponencial y los requisitos de memoria necesarios para simular las propiedades de modelos realistas".

"Sin embargo, los avances tecnológicos y de ingeniería que impulsan la revolución digital han traído consigo la capacidad sin precedentes de controlar la materia a nanoescala. Esto nos ha permitido diseñar computadoras analógicas especializadas, llamadas 'Simuladores cuánticos', que resuelven modelos específicos en física cuántica mediante aprovechando las propiedades mecánicas cuánticas inherentes de sus componentes a nanoescala. Si bien aún no hemos podido construir una computadora cuántica programable para todo uso con suficiente potencia para resolver todos los problemas abiertos en física, lo que podemos hacer ahora es construir dispositivos analógicos a medida. con componentes cuánticos que pueden resolver problemas específicos de física cuántica".

La arquitectura de estos nuevos dispositivos cuánticos involucra componentes híbridos de semiconductores de metal incorporados en un circuito nanoelectrónico, ideado por investigadores de Stanford, UCD y el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía (ubicado en Stanford). El Grupo de Nanociencia Experimental de Stanford, dirigido por el profesor David Goldhaber-Gordon, construyó y operó el dispositivo, mientras que la teoría y el modelado fueron realizados por el Dr. Mitchell en UCD.

La profesora Goldhaber-Gordon, investigadora del Instituto Stanford de Ciencias de los Materiales y la Energía, dijo: "Siempre estamos creando modelos matemáticos que esperamos capturen la esencia de los fenómenos que nos interesan, pero incluso si creemos que son correctos, a menudo no se pueden resolver en un tiempo razonable".

Con un simulador cuántico, "tenemos estas perillas para girar que nadie ha tenido antes", dijo el profesor Goldhaber-Gordon.

La idea esencial de estos dispositivos analógicos, dijo Goldhaber-Gordon, es construir una especie de analogía de hardware para el problema que desea resolver, en lugar de escribir un código de computadora para una computadora digital programable. Por ejemplo, suponga que desea predecir los movimientos de los planetas en el cielo nocturno y el momento de los eclipses. Podrías hacerlo construyendo un modelo mecánico del sistema solar, donde alguien gira una manivela y los engranajes giratorios entrelazados representan el movimiento de la luna y los planetas.

De hecho, dicho mecanismo fue descubierto en un antiguo naufragio frente a la costa de una isla griega que data de hace más de 2000 años. Este dispositivo puede verse como una computadora analógica muy temprana.

Para no ser despreciado, las máquinas analógicas se usaron incluso a fines del siglo XX para cálculos matemáticos que eran demasiado difíciles para las computadoras digitales más avanzadas en ese momento.

Pero para resolver problemas de física cuántica, los dispositivos deben incluir componentes cuánticos. La nueva arquitectura de Quantum Simulator involucra circuitos electrónicos con componentes a nanoescala cuyas propiedades se rigen por las leyes de la mecánica cuántica. Es importante destacar que se pueden fabricar muchos de estos componentes, cada uno de los cuales se comporta esencialmente de manera idéntica a los demás.

Esto es crucial para la simulación analógica de materiales cuánticos, donde cada uno de los componentes electrónicos del circuito es un representante de un átomo que se está simulando y se comporta como un "átomo artificial". Así como diferentes átomos del mismo tipo en un material se comportan de manera idéntica. , también deben hacerlo los diferentes componentes electrónicos de la computadora analógica.

Por lo tanto, el nuevo diseño ofrece un camino único para escalar la tecnología de unidades individuales a grandes redes capaces de simular materia cuántica a granel. Además, los investigadores demostraron que se pueden diseñar nuevas interacciones cuánticas microscópicas en tales dispositivos. El trabajo es un paso hacia el desarrollo de una nueva generación de computadoras cuánticas analógicas de estado sólido escalables.

Para demostrar el poder de la computación cuántica analógica utilizando su nueva plataforma Quantum Simulator, los investigadores primero estudiaron un circuito simple que comprende dos componentes cuánticos acoplados.

El dispositivo simula un modelo de dos átomos unidos por una peculiar interacción cuántica. Al ajustar los voltajes eléctricos, los investigadores pudieron producir un nuevo estado de la materia en el que los electrones parecen tener solo una fracción de 1/3 de su carga eléctrica habitual, los llamados "parafermiones Z3". Estos estados elusivos se han propuesto como base para el cálculo cuántico topológico futuro, pero nunca antes se habían creado en el laboratorio en un dispositivo electrónico.

"Al ampliar el Quantum Simulator de dos a muchos componentes de tamaño nanométrico, esperamos poder modelar sistemas mucho más complicados que las computadoras actuales no pueden manejar", dijo el Dr. Mitchell. "Este podría ser el primer paso para finalmente desentrañar algunos de los misterios más desconcertantes de nuestro universo cuántico".

Más información: Andrew Mitchell, simulación cuántica de un punto crítico cuántico exótico en un circuito Kondo de carga de dos sitios, Nature Physics (2023). DOI: 10.1038/s41567-022-01905-4. www.nature.com/articles/s41567-022-01905-4

Información del diario:Física de la naturaleza

Proporcionado por University College Dublin