Investigadores de la Universidad del País Vasco, en colaboración con colegas chinos, han creado un simulador cuántico que permite fenómenos físicos imposibles, a nivel atómico. Por ejemplo, operaciones prohibidas en sistemas físicos microscópicos, como la inversión temporal, que invierte la dirección de la flecha del tiempo. Los científicos lo denominan 'teatro' cuántico. (Fuente: QUTIS y Universidad de Tsinghua)
El grupo de investigación Quantum Technologies for Information Science (Qutis) de la Universidad del País Vasco/EHU, liderado por el profesor Enrique Solano, en colaboración con un grupo experimental de la Universidad de Tsinghua (Pekín, China) dirigido por el profesor Kihwan Kim, ha creado un simulador cuántico que es capaz de crear fenómenos no físicos en el mundo atómico, es decir, fenómenos físicos imposibles.
Los investigadores de ambos grupos han logrado que un átomo atrapado imite comportamientos que contradicen a sus propias leyes fundamentales, llevando los elementos de la ciencia ficción al mundo microscópico. "Hemos conseguido que un átomo actúe como si violase la naturaleza de los sistemas atómicos, es decir, la física cuántica y la teoría de la relatividad. Al igual que sucede en el teatro o en las películas de ciencia ficción, donde los actores parecen mostrar comportamientos absurdos que van en contra de las leyes naturales, en este caso, los átomos son obligados a simular acciones absurdas como si se tratara de un actor de teatro o ficción", explica el profesor Solano en la nota de prensa de la UPV.
Los resultados de esta investigación han sido publicados en la revista Nature Communications, en el artículo Time reversal and charge conjugation in an embedding quantum simulator (La inversión del tiempo y la conjugación de carga en un simulador cuántico generalizado). El equipo de Qutis ha contado con la participación de Lucas Lamata y Jorge Casanova, actualmente en la Universidad de Ulm (Alemania).
En este experimento, los investigadores han reproducido en el laboratorio la propuesta teórica recogida en una investigación previa liderada por el grupo Qutis, donde se describe la posibilidad de que un átomo atrapado pueda realizar comportamientos incompatibles con las leyes fundamentales de la física cuántica.
Más concretamente, operaciones prohibidas en sistemas físicos microscópicos, como la conjugación de carga, que transforma partícula en antipartícula, o la inversión temporal, que invierte la dirección de la flecha del tiempo.
Experimento
Para la realización del experimento fue necesario utilizar un átomo cargado y atrapado con campos electromagnéticos bajo la acción de un sistema avanzado de láseres.
Este tipo de operaciones de simetría se pueden calificarlas como prohibidas, ya que sólo podrían existir en un universo distinto al que conocemos, con leyes distintas. Sin embargo, en este experimento se ha podido simular la realización de este conjunto de leyes imposibles en un sistema atómico.
El grupo QUTIS de la UPV/EHU es líder mundial en simulación cuántica y sus influyentes propuestas teóricas son verificadas con frecuencia en los laboratorios más avanzados de tecnologías cuánticas.
El algoritmo cuántico más avanzado
Otro estudio suyo reciente que ha conseguido gran popularidad es el titulado Digital quantum simulation of fermionic models with a superconducting circuit (Simulación cuántica digital de modelos fermiónicos con un circuito superconductor), realizado en colaboración con el grupo de investigación de Google y la Universidad de California en Santa Bárbara, en el que se lleva a cabo el algoritmo cuántico más avanzado que se conoce y con el que consigue implementar una simulación cuántica de modelos electrónicos de materiales en circuitos superconductores.
Este algoritmo se desarrolló en los laboratorios de circuitos superconductores de Google/UCSB basándose en ideas originales propuestas por el grupo Qutis.
Los investigadores diseñaron un simulador digital de fermiones con más de 300 puertas lógicas cuánticas en un chip de 9 bits cuánticos. Los fermiones son partículas cuánticas, como los electrones, que son la base fundamental de los superconductores, las reacciones químicas o los procesos de altas energías. Su estudio es por tanto muy relevante, ya que es el primero en que se simulan estas partículas de forma universal con una arquitectura tan avanzada y de forma escalable, como es el caso de los circuitos superconductores a temperaturas criogénicas.
Según destacaba Solano, "este experimento representa el primer simulador digital en una plataforma cuántica de estado sólido, superior al algoritmo cuántico más avanzado hecho en un computador cuántico".
