Investigadores demuestran que sistemas físicos relativamente simples podrían significar computadoras cuánticas poderosas.
Los posibles estados cuánticos de una cadena de partículas pueden ser representados como puntos en el espacio, con líneas conectando estados que pueden intercambiarse sin cambio alguno en el total de energía. Investigadores del MIT y otras instituciones demostraron que tal tipo de redes están interconectadas densamente, con tráfico intenso entre las líneas que unen los puntos. (Crédito: Christine Daniloff)
Un grupo de investigadores del MIT, IBM, Universidad de Masaryk, de la República Checa, la Academia Eslovaca de Ciencias y la Universidad Northeastern, demostró que, incluso en cadenas de spin simple, el grado de entrelazamiento se corresponde con la longitud de la cadena.
La investigación proporciona evidencia sobre la posibilidad que sistemas cuánticos relativamente simples ofrezcan recursos computacionales considerables.
Las computadoras cuánticas son dispositivos -aún mayormente teóricos- que podrían ejecutar cierto tipo de cálculos mucho más rápido que las computadoras clásicas; una manera en que podrían hacerlo es por medio del uso del “spin”, una propiedad de las partículas más pequeñas de materia. Una “cadena de spin” es un modelo estándar que los físicos utilizan para describir sistemas de partículas cuánticas, incluyendo algunas que podrían ser la base de computadoras cuánticas.
La mayoría de algoritmos cuánticos requieren que el spin de las partículas esté entrelazado, lo que significa que dependen el uno del otro. A mayor entrelazamiento en un sistema físico, mayor es su poder de cálculo. Hasta ahora, los teóricos han demostrado la posibilidad de entrelazamiento alto sólo en cadenas de spin muy complejas, de mucha dificultad para realizar experimentalmente. En sistemas más simples, el grado de entrelazamiento parece tener tope: más allá de cierto punto, añadir más partículas a la cadena no parecía incrementar el entrelazamiento.
En física cuántica, el término “spin” describe la manera que las pequeñas partículas de materia están alineadas en un campo magnético: una partícula con spin arriba se alinea en una dirección, una partícula con spin abajo se alineará en la dirección contraria. Pero al aplicar una partícula a múltiples campos al mismo tiempo podría ocasionar que se alineara en otras direcciones, algún punto intermedio entre arriba o abajo. En un sistema lo suficientemente complejo, una sola partícula podría tener docenas de posibles estados de spin.
Una cadena de spin es exactamente lo que se indica: un grupo de partículas alineadas, analizadas de acuerdo a su spin. Una cadena de spin cuyas partículas tengan sólo dos estados no muestran entrelazamiento. Sin embargo, en el nuevo artículo, Peter Shor, profesor del MIT, Ramis Movassagh, de Northeastern, y sus colegas, mostraron que entrelazamiento ilimitado es posible en cadenas de partículas con sólo tres estados de spin -arriba, abajo y ninguno. Sistemas conformados de tales partículas, en principio, deberían ser más fáciles de construir que los sistemas compuestos de partículas con más estados de spin.
El fenómeno de entrelazamiento está relacionado con el misterio central de la física cuántica: la habilidad de una partícula individual de tener múltiples estados excluyentes al mismo tiempo. Electrones, fotos y otros partículas fundamentales pueden, de alguna manera, estar en más de un lugar al mismo tiempo. De manera similar, pueden tener más de un spin a la vez. Sin embargo, si se trata de medir la posición, spin o alguna otra propiedad cuántica de la partícula, tendrás una respuesta definitiva: el spin de la partícula se apega a uno solo de sus posibles estados.
Si dos partículas están entrelazadas, la medición en una te dirá algo acerca de la otra partícula. Por ejemplo, si mides el spin de un electrón orbitando un átomo de helio, si el spin es arriba, el spin del otro electrón en la misma órbita deberá ser abajo, y viceversa. Para que una cadena de partículas sea útil en computación cuántica, todos sus spins deben estar entrelazados. Si, en cierto punto, el añadir más partículas no incrementa ese entrelazamiento, también cesará el incremento en la capacidad de cálculo.
Para mostrar que el entrelazamiento crece sin límite en cadenas de partículas de tres spin, los investigadores demostraron que cualquier cadena similar con energía neta cero podría ser convertida en cualquier otra a través de un pequeño numero de substituciones que preserven la energía. Esta prueba es similar a las adivinanzas en donde debes convertir una palabra en otra cambiando una letra cada vez.
“Preservación de energía” significa que al cambiar el spin de dos partículas adyacentes no cambia el total de energía. Por ejemplo, si dos partículas adyacentes tienen spin arriba y spin abajo, tienen la misma energía que dos partículas adyacentes sin spin. Igualmente, intercambiar el spin de dos partículas adyacentes deja la energía sin cambio alguno. Aquí, el rompecabezas está en convertir una cadena de spin en otra utilizando este tipo de opciones.
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