Un ordenador cuántico analógico para resolver problemas irresolubles
Físicos han inventado un nuevo tipo de ordenador cuántico analógico capaz de abordar problemas físicos difíciles que los superordenadores digitales más potentes no pueden resolver.
Una nueva investigación publicada en Nature Physics por científicos de Stanford y el University College Dublin (UCD) ha demostrado que un nuevo tipo de ordenador analógico altamente especializado, cuyos circuitos incorporan componentes cuánticos, puede resolver problemas de física cuántica de vanguardia que antes estaban fuera de su alcance. Cuando se amplíen, estos dispositivos podrán arrojar luz sobre algunos de los problemas sin resolver más importantes de la física.
Por ejemplo, hace tiempo que científicos e ingenieros quieren comprender mejor 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 de bajo consumo- sólo funcionan actualmente a temperaturas extremadamente bajas, lo que limita su uso generalizado. El santo grial de la ciencia de materiales es encontrar materiales superconductores a temperatura ambiente, lo que revolucionaría su uso en multitud de tecnologías.
El Dr. Andrew Mitchell es Director del Centro de Ingeniería, Ciencia y Tecnología Cuánticas (C-QuEST) de la UCD, físico teórico de la Facultad de Física de la UCD y coautor del artículo.
En su opinión, "algunos problemas son demasiado complejos para que los puedan resolver incluso los ordenadores clásicos digitales más rápidos. La simulación precisa de materiales cuánticos complejos como los superconductores de alta temperatura es un ejemplo realmente importante: ese tipo de computación está muy por encima de las capacidades actuales debido a los requisitos exponenciales de tiempo de computación y 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 ordenadores analógicos especializados, llamados 'Simuladores Cuánticos', que resuelven modelos específicos de la física cuántica aprovechando las propiedades mecánicas cuánticas inherentes a sus componentes a nanoescala. Aunque todavía no hemos sido capaces de construir un ordenador cuántico programable multiuso con potencia suficiente para resolver todos los problemas abiertos en física, lo que sí podemos hacer ahora es construir dispositivos analógicos a medida con componentes cuánticos que puedan resolver problemas específicos de física cuántica", explicó en un comunicado.
La arquitectura de estos nuevos dispositivos cuánticos incluye componentes híbridos metal-semiconductor incorporados a un circuito nanoelectrónico, ideado por investigadores de Stanford, el UCD y el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía de EEUU (situado en Stanford). El Grupo de Nanociencia Experimental de Stanford, dirigido por el profesor David Goldhaber-Gordon, construyó y puso en funcionamiento el dispositivo, mientras que la teoría y el modelado corrieron a cargo del Dr. Mitchell, del UCD.
La idea esencial de estos dispositivos analógicos, según Goldhaber-Gordon, es construir una especie de analogía de hardware con el problema que se quiere resolver, en lugar de escribir un código informático para un ordenador digital programable. Por ejemplo, supongamos que queremos predecir el movimiento de los planetas en el cielo nocturno y el momento de los eclipses. Podría hacerlo construyendo un modelo mecánico del sistema solar en el que alguien girara una manivela y unos engranajes giratorios entrelazados representaran el movimiento de la Luna y los planetas.
De hecho, se descubrió un mecanismo de este tipo en un antiguo naufragio frente a las costas de una isla griega que data de hace más de 2.000 años. Este dispositivo puede considerarse un primer ordenador analógico.
Las máquinas analógicas se utilizaron incluso a finales del siglo XX para cálculos matemáticos que eran demasiado difíciles para los ordenadores digitales más avanzados de la época.
Pero para resolver problemas de física cuántica, los dispositivos deben incluir componentes cuánticos. La nueva arquitectura del Simulador Cuántico incluye circuitos electrónicos con componentes a nanoescala cuyas propiedades se rigen por las leyes de la mecánica cuántica. Y lo que es más importante, pueden fabricarse muchos componentes de este tipo, cada uno de los cuales se comporta de forma esencialmente 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 sustituto de un átomo que se simula, y se comporta como un "átomo artificial". Al igual que diferentes átomos del mismo tipo en un material se comportan de forma idéntica, también deben hacerlo los diferentes componentes electrónicos del ordenador analógico.
Por tanto, el nuevo diseño ofrece una vía única para ampliar la tecnología de unidades individuales a grandes redes capaces de simular la materia cuántica en masa. Además, los investigadores han demostrado que en estos dispositivos pueden crearse nuevas interacciones cuánticas microscópicas. El trabajo constituye un paso adelante hacia el desarrollo de una nueva generación de ordenadores cuánticos analógicos de estado sólido escalables.
Para demostrar la potencia de la computación cuántica analógica utilizando su nueva plataforma Quantum Simulator, los investigadores estudiaron primero un circuito sencillo formado por dos componentes cuánticos acoplados entre sí.
El dispositivo simula un modelo de dos átomos acoplados por una peculiar interacción cuántica. Ajustando los voltajes eléctricos, los investigadores fueron capaces de producir un nuevo estado de la materia en el que los electrones parecen tener sólo una fracción de 1/3 de su carga eléctrica habitual, los llamados "parafermiones Z3". Estos elusivos estados se han propuesto como base para la futura computación cuántica topológica, pero nunca antes se habían creado en el laboratorio en un dispositivo electrónico.
"Al ampliar el simulador cuántico de dos a muchos componentes de tamaño nanométrico, esperamos poder modelar sistemas mucho más complicados que los ordenadores actuales no pueden tratar", afirma el Dr. Mitchell. "Este podría ser el primer paso para desentrañar por fin algunos de los misterios más desconcertantes de nuestro universo cuántico".
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