Física 50 anys més tard, què?

2022/11/11 García Vergniory, Maia - FisikariaDIPCko ikertzailea Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Fisika

En el meu camp, dins de 50 anys, dominaran les tecnologies quàntiques. Aquestes seran les tecnologies amb les quals investigarem i comunicarem. Són tecnologies basades en les propietats de situacions complexes. Però, què són aquestes situacions complicades i on estem en aquest moment? Comencem pel principi…

La mecànica quàntica té una curiosa reputació de ser la més reeixida de les nostres teories científiques i alhora la més misteriosa. Es va desenvolupar en un període marcat entre 1900 i 1920, mentre que el formalisme actual es va desenvolupar a la fi dels anys 20. A partir de llavors, els físics van tenir un gran èxit aplicant la mecànica quàntica per a comprendre les partícules i forces fonamentals de la naturalesa i van arribar a configurar el model estàndard de la física de partícules. Al mateix temps, els físics van tenir un gran èxit simultani en l'aplicació de la mecànica quàntica per a comprendre el fascinant feix de compostos del món, des de polímers a semiconductors, des de superfluids fins a superconductors. Però, encara que aquests desenvolupaments van avançar en profunditat la comprensió del món natural, només van millorar lleugerament la comprensió de la mecànica quàntica.

La base de les tecnologies quàntiques: l'embolic
quàntic Aquí parlaré de l'aplicació de la mecànica quàntica a la computació quàntica, i per a això necessitem presentar el seu fonament teòric: els estats complicats. La història de les situacions complicades va començar amb la disconformitat amb els fonaments de la mecànica quàntica Einstein, quan es va formular l'anomenada paradoxa EPR. La paradoxa se centrava en el model de dues partícules entrellaçades, perquè Einstein estava obstinat a negar-lo. En l'actualitat, l'embolic quàntic és un dels principis fonamentals de la física quàntica. L'embolic quàntic vol dir que moltes partícules estan d'alguna manera interconnectades i actuen com si fossin una sola. Així, la mesura de l'estat quàntic d'una partícula permet conèixer i determinar els possibles estats quàntics d'altres partícules.

Aquesta connexió no depèn de la posició espacial de les partícules. Encara que separes les partícules barrejades durant milers de milions de quilòmetres, el canvi d'una partícula provoca un canvi en l'altra. Per a Einstein, això era una paradoxa, perquè sembla que implica una comunicació entre dues partícules a una velocitat superior a la de la llum, la qual cosa està en conflicte amb la teoria de la relativitat del mateix Albert Einstein. No obstant això, més tard es va demostrar que la interpretació d'Einstein era errònia perquè les partícules no es mouen. Encara que sembla que l'embolic quàntic transmet informació ràpidament, no vulnera la velocitat clàssica de la llum, ja que en realitat no hi ha “moviments”. Tractant de negar la mecànica quàntica, Einstein va idear la idea d'embullar-se.

Imagineu quin podia ser el potencial tecnològic d'aquesta idea si s'aconseguís controlar situacions complicades: amb una partícula es pot actuar sobre una altra molt llunyana. No obstant això, va caldre passar dècades per a trobar les aplicacions dels embolics quàntics.

Les noves preguntes van començar a canviar la forma en què pensaven sobre la mecànica quàntica en les dècades de l'existència i l'existència. Alguns investigadors es van inspirar preguntant-se si algunes preguntes bàsiques de la informàtica i de la informació podrien aplicar-se a l'estudi dels sistemes quàntics. Abans, els sistemes quàntics només s'utilitzaven per a explicar fenòmens naturals, aquests investigadors van demostrar que els sistemes quàntics podien dissenyar-se per a qualsevol aplicació. Visió petita però conclusions profundes. Ja no s'observa el món quàntic, però en el seu lloc es pot crear el món quàntic al nostre gust.

D'una banda, va ressorgir l'interès pels fonaments de la mecànica quàntica i, per un altre, van sorgir moltes preguntes noves combinant els camps de la física, la informàtica i la teoria de la informació. Quines són les limitacions físiques bàsiques espaciotemporals per a la construcció de l'estat quàntic? ; quant temps i espai es necessita per a una determinada operació dinàmica? per què és tan difícil comprendre i simular sistemes quàntics utilitzant sistemes clàssics?

Quatre fites Des de
llavors han estat molts els avanços. Potser l'avanç més espectacular és el dels experiments. Falten molts anys per a construir ordinadors quàntics a gran escala, però s'han realitzat grans avanços. S'han utilitzat circuits superconductors per a la implementació d'algorismes quàntics simples de dos qubits* i els sistemes de tres qubits estan pràcticament disponibles. S'han utilitzat qubits basats en spines nuclears i fotó únic, respectivament, per a demostrar la correcció d'errors quàntics i la implementació del principi de simulació quàntica. Però l'avanç més espectacular de tots ells ha estat el dels sistemes d'ió. Els ions capturats també s'han utilitzat per a mostrar la base de les comunicacions quàntiques bàsiques, incloent la correcció d'errors quàntics i la teleportación quàntica.

El segon avanç ha estat com es poden implementar els algorismes quàntics en els ordinadors quàntics. Sorprenentment, la computació quàntica es pot implementar simplement mesurant la seqüència d'un sol qubit, el qubit ens donarà implementacions diferents segons quant, quan i com es mesuren. És evident que li donen un estat quàntic fix i després el càlcul quàntic s'obté “mirant” adequadament els qubits individuals.

El tercer avanç ha estat l'exercici de la simulació clàssica de sistemes quàntics. La simulació dels sistemes quàntics en els ordinadors clàssics convencionals sembla sovint difícil, de fet tenim bastantes limitacions de computació amb els ordinadors clàssics. Però en els anys 2000 hem après quins sistemes quàntics són fàcils de simular i quins difícils de simular. S'han desenvolupat enginyosos algorismes per a la simulació clàssica de molts sistemes quàntics que antany eren difícils de simular. En particular, s'han simulat molts sistemes quàntics d'una dimensió espacial i determinats sistemes quàntics bidimensionals, obtenint resultats concrets. Aquests algorismes clàssics han estat obtinguts gràcies al desenvolupament de descripcions clàssiques lluminoses. Al mateix temps, hem sabut que alguns sistemes que abans semblaven simples són sorprenentment complexos. Aquests estudis han aclarit quins sistemes quàntics són fàcils i difícils de simular.

El quart progrés ha estat l'aprofundiment en la comprensió dels canals quàntics de comunicació. S'ha desenvolupat una bella i completa teoria per a conèixer com el complex estat quàntic pot contribuir a la comunicació clàssica sobre els canals quàntics. Molts protocols quàntics de comunicació s'han organitzat en famílies, unificant així gran part de la comprensió dels diferents tipus de comunicació possible amb la informació quàntica.

La possibilitat de resoldre problemes de computació profunds Una de les
principals motivacions per a treballar en la ciència de la informació quàntica és la possibilitat que els algorismes quàntics ràpids resolguin problemes de computació importants. Aquí, l'avanç experimentat en l'última dècada ha estat mixt, perquè encara que s'ha fet un gran esforç, les idees dels principals algorismes es mantenen com fa 10 anys. Però l'avanç tècnic ha estat notable. Ara bé, encara no entenem què és exactament el que fa forts els ordinadors quàntics, o en quina mena de problemes s'espera superar els ordinadors clàssics.

En els pròxims anys, els ordinadors quàntics no sols aportaran major capacitat de computació, sinó que són necessaris per a resoldre el problema energètic. Un ordinador quàntic obtindria una millora energètica equivalent en quatre qubit més, i sense tot just increments d'energia resoldria problemes difícils. Per això, no és necessari obtenir una reducció significativa del temps emprat per a captar l'estalvi energètic que pot suposar la computació quàntica: els avantatges estan més enllà del càlcul quàntic.

* Qubit (o bit quàntic) és l'anàleg mecànic quàntic d'un bit clàssic.