Un equipo internacional de investigadores, liderado por la Universidad de Harvard, ha documentado por primera vez un misterioso nuevo estado de la materia, predicho hace 48 años por el físico Philip W. Anderson, en un material real.
Este estado de la materia, conocido como líquido de espín cuántico, provoca que los electrones, que se cree que son bloques de construcción indivisibles de la naturaleza, se rompan en pedazos.
Los líquidos de espín cuántico se esconden en ciertos materiales magnéticos, pero hasta ahora no habían sido avistados de manera concluyente en la naturaleza.
Su constatación se describe en un artículo publicado en la revista Science y marca un gran paso hacia la posibilidad de producir a voluntad este estado elusivo de la materia, así como para obtener una comprensión novedosa de su naturaleza misteriosa, explican los investigadores en un comunicado.
Simulador cuántico
Simulador cuántico Los investigadores observaron este estado de espín líquido de la materia utilizando un simulador cuántico programable que el laboratorio desarrolló en 2017.
El simulador es una especie ordenador cuántico que permite a los investigadores crear formas programables para diseñar diferentes interacciones y entrelazamientos entre átomos ultrafríos. Se utiliza para estudiar una gran cantidad de procesos cuánticos complejos.
Con ese simulador, los investigadores replicaron la física microscópica que se encuentra en los sistemas macroscópicos (materia condensada), aprovechando la libertad que permite la programabilidad del sistema.
De esta forma crearon un patrón geométrico propio, colocando los átomos de una forma particular para que interactuaran y se entrelazaran entre ellos. Luego pudieron medir y analizar las alianzas físicas (cadenas) que conectan a los átomos.
Cúbits más robustos
Cúbits más robustos La presencia y el análisis de esas cadenas, que se denominan cadenas topológicas, revelaron que en ese material estaban ocurriendo correlaciones cuánticas: había surgido el estado líquido de espín cuántico de la materia.
Después de confirmar la presencia de líquidos de espín cuántico, los investigadores analizaron la posibilidad de aplicar este estado de la materia para crear cúbits robustos, que serían resistentes al ruido y a la interferencia externa, un paso importante para la realización de ordenadores cuánticos fiables.
Los cúbits son los bloques de construcción fundamentales sobre los que funcionan las computadoras cuánticas y la fuente de su poder de procesamiento masivo.
A diferencia del bit, que solo puede tener dos valores (uno o cero), el cúbit puede tomar varios valores a la vez, es decir, manifiesta un sistema cuántico con dos estados propios simultáneos.
Cómo manipularlos
Cómo manipularlos Los ordenadores cuánticos emplean cúbits basados en materiales superconductores. Sin embargo, estos cúbits son muy frágiles ante cualquier perturbación, lo que impide explotar todo el potencial de la computación cuántica. De ahí la necesidad de obtener cúbits robustos.
Los autores de esta investigación realizaron una prueba de concepto que mostró que es posible crear estos bits cuánticos robustos colocando los líquidos de espín cuántico en una matriz geométrica especial utilizando el simulador.
Los investigadores de Harvard continuarán trabajando con el simulador para conocer exactamente cómo se pueden usar los líquidos de espín cuántico para crear esos cúbits robustos.
Lo que ha conseguido averiguar la nueva investigación es cómo crear este cúbit topológico, pero aún debe demostrar cómo se puede codificar y manipular, destacan los investigadores.
Culmen de un proceso
Culmen de un proceso Esta investigación desarrolla una anterior, realizada en 2016, que observó por primera vez la «huella digital» del líquido de espín cuántico, en el que los electrones se rompen.
Los investigadores midieron las primeras firmas de estas partículas fraccionadas, conocidas como fermiones de Majorana, en un material bidimensional con una estructura similar al grafeno.
También se relaciona con otra investigación, publicada este año, según la cual el aprendizaje automático, una rama de la Inteligencia Artificial, puede profundizar en el comportamiento del líquido de espín cuántico y determinar también qué materiales pueden o no ser considerados líquido de espín cuántico.
La nueva investigación culmina estos esfuerzos previos, no solo para comprobar la existencia del líquido de espín cuántico, sino también para aprovecharlo y conseguir una computación cuántica más robusta.
Referencia
Referencia Probing topological spin liquids on a programmable quantum simulator. G. Semeghini et al. Science, 2 Dec 2021; Vol 374, Issue 6572, pp. 1242-1247. DOI: 10.1126/science.abi8794
