Créditos de las imagenes: Technion.
¿Qué factores determinan qué tan rápido una computadora cuántica puede realizar sus cálculos? Los físicos de Israel han ideado un elegante experimento para responder a esta pregunta. Los resultados del estudio se publican en la revista Science Advances.
Las computadoras cuánticas son máquinas altamente sofisticadas que se basan en los principios de la mecánica cuántica para procesar información.
Esto debería permitirles manejar ciertos problemas en el futuro que son completamente irresolubles para las computadoras convencionales.
Pero incluso para las computadoras cuánticas, los límites fundamentales se aplican a la cantidad de datos que pueden procesar en un tiempo determinado.
Las puertas cuánticas requieren un tiempo mínimo:
La información almacenada en las computadoras convencionales se puede considerar como una larga secuencia de ceros y unos, los bits.
En mecánica cuántica es diferente: la información se almacena en bits cuánticos (qubits), que se asemejan a una onda en lugar de una serie de valores discretos.
Los físicos también hablan de funciones de onda cuando quieren representar con precisión la información contenida en qubits.
En una computadora tradicional, la información está unida por las llamadas puertas.
La combinación de varias puertas permite cálculos elementales, como la adición de dos bits.
La información se procesa de manera muy similar en las computadoras cuánticas, donde las puertas cuánticas cambian la función de onda de acuerdo con ciertas reglas.
Las puertas cuánticas se parecen a sus parientes tradicionales en otro aspecto:
«Incluso en el mundo cuántico, las puertas no funcionan infinitamente rápido», explica el Dr. Andrea Alberti.
«Requieren una cantidad mínima de tiempo para transformar la función de onda y la información que contiene».
Canicas cuánticas en un cuenco de luz:
Hace más de 70 años, los físicos soviéticos Leonid Mandelstam e Igor Tamm dedujeron teóricamente este tiempo mínimo para transformar la función de onda.
Los físicos de lsrael ahora han investigado este límite de Mandelstam-Tamm por primera vez con un experimento en un sistema cuántico complejo.
Para hacer esto, utilizaron átomos de cesio que se movían de manera muy controlada.
«En el experimento, dejamos que los átomos individuales rodaran como canicas en un cuenco de luz y observamos su movimiento», explica Alberti, quien dirigió el estudio experimental.
Los átomos pueden describirse mecánicamente cuánticamente como ondas de materia.
Durante el viaje al fondo del cuenco de luz, su información cuántica cambia.
Los investigadores ahora querían saber cuándo se podría identificar esta «deformación» lo antes posible.
Esta vez sería la prueba experimental del límite de Mandelstam-Tamm.
El problema con esto, sin embargo, es que en el mundo cuántico, cada medición de la posición del átomo cambia inevitablemente la onda de materia de una manera impredecible.
Por lo tanto, siempre parece que el mármol se ha deformado, sin importar qué tan rápido se haga la medición.
«Por lo tanto, ideamos un método diferente para detectar la desviación del estado inicial», dice Alberti.
Para ello, los investigadores empezaron por producir un clon de la onda de materia, es decir, un gemelo casi exacto.
«Utilizamos pulsos de luz rápidos para crear la llamada superposición cuántica de dos estados del átomo», explica Gal Ness, estudiante de doctorado y primer autor del estudio.
«Hablando en sentido figurado, el átomo se comporta como si tuviera dos colores diferentes al mismo tiempo».
Dependiendo del color, cada átomo gemelo toma una posición diferente en el cuenco de luz: uno está en lo alto del borde y «rueda» hacia abajo desde allí.
El otro, por el contrario, ya está en el fondo del cuenco.
Este gemelo no se mueve; después de todo, no puede enrollar las paredes y, por lo tanto, no cambia su función de onda.
Los físicos compararon los dos clones a intervalos regulares. Lo hicieron utilizando una técnica llamada interferencia cuántica, que permite que las diferencias en las ondas se detecten con mucha precisión.
Esto les permitió determinar después de qué tiempo ocurrió por primera vez una deformación significativa de la onda de materia.
Dos factores determinan el límite de velocidad:
Al variar la altura sobre el fondo del cuenco al comienzo del experimento, los físicos también pudieron controlar la energía promedio del átomo.
Promedio porque, en principio, el monto no se puede determinar con exactitud. Por tanto, la «energía de posición» del átomo es siempre incierta.
«Pudimos demostrar que el tiempo mínimo para que cambie la onda de materia depende de esta incertidumbre energética», dice el profesor Yoav Sagi, quien dirigió el equipo asociado en Technion:
«Cuanto mayor es la incertidumbre, más corto es el tiempo de Mandelstam-Tamm. »
Esto es exactamente lo que habían predicho los dos físicos soviéticos.
Pero también hubo un segundo efecto: si la incertidumbre energética aumentaba cada vez más hasta superar la energía promedio del átomo, entonces el tiempo mínimo no disminuía más, al contrario de lo que sugeriría realmente el límite de Mandelstam-Tamm.
Los físicos demostraron así un segundo límite de velocidad, que teóricamente se descubrió hace unos 20 años.
Por tanto, el límite máximo de velocidad en el mundo cuántico está determinado no solo por la incertidumbre energética, sino también por la energía media.
«Es la primera vez que se pueden medir ambos límites de velocidad cuántica para un sistema cuántico complejo, e incluso en un solo experimento», se entusiasma Alberti.
Las futuras computadoras cuánticas pueden resolver problemas rápidamente, pero también estarán limitadas por estos límites fundamentales.
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