Resolviendo problemas previamente irresolubles: un nuevo tipo de computadora cuántica analógica

Sep 04, 2023

Por UCD Research & Innovation 10 de marzo de 2023

Las computadoras cuánticas analógicas son un tipo de computadora cuántica que opera utilizando variables continuas, como la amplitud y la fase de una función de onda cuántica, para realizar cálculos.

Los físicos han creado un tipo novedoso de computadora cuántica analógica capaz de abordar problemas físicos desafiantes que las supercomputadoras digitales más poderosas no pueden resolver.

A groundbreaking study published in Nature PhysicsAs the name implies, Nature Physics is a peer-reviewed, scientific journal covering physics and is published by Nature Research. It was first published in October 2005 and its monthly coverage includes articles, letters, reviews, research highlights, news and views, commentaries, book reviews, and correspondence." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Nature Physics de un equipo de científicos de la Universidad de Stanford en Estados Unidos y el University College Dublin (UCD) en Irlanda ha revelado que un nuevo tipo de computadora analógica altamente especializada, equipada con componentes cuánticos en sus circuitos, puede resolver problemas complejos de física cuántica que antes estaban fuera de alcance. Si estos dispositivos se pueden ampliar, tienen el potencial de proporcionar información sobre algunos de los problemas sin resolver más importantes de la física.

Por ejemplo, los científicos e ingenieros han estado buscando una comprensión más profunda de la superconductividad durante mucho tiempo. Actualmente, los materiales superconductores, como los que se utilizan en las máquinas de resonancia magnética, los trenes de alta velocidad y las redes eléctricas de larga distancia de bajo consumo, solo funcionan a temperaturas extremadamente bajas, lo que dificulta sus aplicaciones más amplias. El objetivo final de la ciencia de los materiales es descubrir materiales que muestren superconductividad a temperatura ambiente, lo que revolucionaría su uso en una gran cantidad de tecnologías.

Imagen micrográfica del nuevo Quantum Simulator, que presenta dos componentes semiconductores metálicos de tamaño nano acoplados integrados en un circuito electrónico. Crédito: Pouse, W., Peeters, L., Hsueh, CL et al. Simulación cuántica de un punto crítico cuántico exótico en un circuito Kondo de carga de dos sitios. Nat. física (2023)

El Dr. Andrew Mitchell es el 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. Él 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 cálculo exponencial y los requisitos de memoria necesarios para simular las propiedades de modelos realistas.

El Dr. Andrew Mitchell es físico teórico en el University College Dublin, tiene un premio Laureate Award del Irish Research Council y es el director del UCD Center for Quantum Engineering, Science, and Technology (C-QuEST). Crédito: UCD Media: foto de Vincent Hoban

"However, the technological and engineering advances driving the digital revolution have brought with them the unprecedented ability to control matter at the nanoscaleThe nanoscale refers to a length scale that is extremely small, typically on the order of nanometers (nm), which is one billionth of a meter. At this scale, materials and systems exhibit unique properties and behaviors that are different from those observed at larger length scales. The prefix "nano-" is derived from the Greek word "nanos," which means "dwarf" or "very small." Nanoscale phenomena are relevant to many fields, including materials science, chemistry, biology, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> nanoescala Esto nos ha permitido diseñar computadoras analógicas especializadas, llamadas 'simuladores cuánticos', que resuelven modelos específicos en física cuántica 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, se utilizaron máquinas análogas incluso a finales del siglo XX para cálculos matemáticos que eran demasiado difíciles para las computadoras digitales más avanzadas de la época.

But to solve quantum physics problems, the devices need to involve quantum components. The new Quantum Simulator architecture involves electronic circuits with nanoscale components whose properties are governed by the laws of quantum mechanics. Importantly, many such components can be fabricated, each one behaving essentially identically to the others. This is crucial for analog simulation of quantum materials, where each of the electronic components in the circuit is a proxy for an atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> 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.

El nuevo diseño, por lo tanto, 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".

Referencia: "Simulación cuántica de un punto crítico cuántico exótico en un circuito Kondo de carga de dos sitios" por Winston Pouse, Lucas Peeters, Connie L. Hsueh, Ulf Gennser, Antonella Cavanna, Marc A. Kastner, Andrew K. Mitchell y David Goldhaber -Gordon, 30 de enero de 2023, Nature Physics.DOI: 10.1038/s41567-022-01905-4