Física 50 anos máis tarde, que?

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

• Fisika

No meu campo, dentro de 50 anos, dominarán as tecnoloxías cuánticas. Estas serán as tecnoloxías coas que investigaremos e comunicaremos. Son tecnoloxías baseadas nas propiedades de situacións complexas. Pero, que son esas situacións complicadas e onde estamos neste momento? Empecemos polo principio…

A mecánica cuántica ten unha curiosa reputación de ser a máis exitosa das nosas teorías científicas e á vez a máis misteriosa. Desenvolveuse nun período marcado entre 1900 e 1920, mentres que o formalismo actual desenvolveuse a finais dos anos 20. A partir de entón, os físicos tiveron un gran éxito aplicando a mecánica cuántica para comprender as partículas e forzas fundamentais da natureza e chegaron a configurar o modelo estándar da física de partículas. Ao mesmo tempo, os físicos tiveron un gran éxito simultáneo na aplicación da mecánica cuántica para comprender o fascinante feixe de compostos do mundo, desde polímeros a semiconductores, desde superfluidos até superconductores. Pero, aínda que estes desenvolvementos avanzaron en profundidade a comprensión do mundo natural, só melloraron lixeiramente a comprensión da mecánica cuántica.

A base das tecnoloxías cuánticas: o enredo
cuántico Aquí vou falar da aplicación da mecánica cuántica á computación cuántica, e para iso necesitamos presentar o seu fundamento teórico: os estados complicados. A historia das situacións complicadas comezou coa desconformidade cos fundamentos da mecánica cuántica Einstein, cando se formulou o chamado paradoxo EPR. O paradoxo centrábase no modelo de dúas partículas entrelazadas, porque Einstein estaba empeñado en negalo. Na actualidade, o enredo cuántico é un dos principios fundamentais da física cuántica. O enredo cuántico quere dicir que moitas partículas están dalgunha maneira interconectadas e actúan coma se fosen unha soa. Así, a medida do estado cuántico dunha partícula permite coñecer e determinar os posibles estados cuánticos doutras partículas.

Esta conexión non depende da posición espacial das partículas. Aínda que separas as partículas mesturadas durante miles de millóns de quilómetros, o cambio dunha partícula provoca un cambio na outra. Para Einstein, isto era un paradoxo, pois parece que implica unha comunicación entre dúas partículas a unha velocidade superior á da luz, o que está en conflito coa teoría da relatividad do propio Albert Einstein. Con todo, máis tarde demostrouse que a interpretación de Einstein era errónea porque as partículas non se moven. Aínda que parece que o enredo cuántico transmite información rapidamente, non vulnera a velocidade clásica da luz, xa que en realidade non hai “movementos”. Tratando de negar a mecánica cuántica, Einstein ideou a idea de enredarse.

Imaxinade cal podía ser o potencial tecnolóxico desta idea si conseguísese controlar situacións complicadas: cunha partícula pódese actuar sobre outra moi afastada. Con todo, houbo que pasar décadas para atopar as aplicacións dos enredos cuánticos.

As novas preguntas comezaron a cambiar a forma en que pensaban sobre a mecánica cuántica nas décadas da existencia e a existencia. Algúns investigadores inspiráronse preguntándose si algunhas preguntas básicas da informática e da información poderían aplicarse ao estudo dos sistemas cuánticos. Antes, os sistemas cuánticos só se utilizaban para explicar fenómenos naturais, estes investigadores demostraron que os sistemas cuánticos podían deseñarse para calquera aplicación. Visión pequena pero conclusións profundas. Xa non se observa o mundo cuántico, pero no seu lugar pódese crear o mundo cuántico ao noso gusto.

Por unha banda, rexurdiu o interese polos fundamentos da mecánica cuántica e, por outro, xurdiron moitas preguntas novas combinando os campos da física, a informática e a teoría da información. Cales son as limitacións físicas básicas espazo-temporais para a construción do estado cuántico? ; canto tempo e espazo necesítase para unha determinada operación dinámica? por que é tan difícil comprender e simular sistemas cuánticos utilizando sistemas clásicos?

Catro fitos Desde
entón foron moitos os avances. Quizá o avance máis espectacular sexa o dos experimentos. Faltan moitos anos para construír computadores cuánticos a gran escala, pero realizáronse grandes avances. Utilizáronse circuítos superconductores para a implementación de algoritmos cuánticos simples de dous qubits* e os sistemas de tres qubits están practicamente dispoñibles. Utilizáronse qubits baseados en spines nucleares e fotón único, respectivamente, para demostrar a corrección de erros cuánticos e a implementación do principio de simulación cuántica. Pero o avance máis espectacular de todos eles foi o dos sistemas de ión. Os iones capturados tamén se utilizaron para mostrar a base das comunicacións cuánticas básicas, incluíndo a corrección de erros cuánticos e a teleportación cuántica.

O segundo avance foi como se poden implementar os algoritmos cuánticos nos computadores cuánticos. Sorprendentemente, a computación cuántica pódese implementar simplemente medindo a secuencia dun só qubit, o qubit daranos implementaciones diferentes segundo canto, cando e como se miden. É evidente que lle dan un estado cuántico fixo e logo o cálculo cuántico obtense “mirando” adecuadamente os qubits individuais.

O terceiro avance foi o exercicio da simulación clásica de sistemas cuánticos. A simulación dos sistemas cuánticos nos computadores clásicos convencionais parece a miúdo difícil, de feito temos bastantes limitacións de computación cos computadores clásicos. Pero nos anos 2000 aprendemos que sistemas cuánticos son fáciles de simular e cales difíciles de simular. Desenvolvéronse enxeñosos algoritmos para a simulación clásica de moitos sistemas cuánticos que outrora eran difíciles de simular. En particular, simuláronse moitos sistemas cuánticos dunha dimensión espacial e determinados sistemas cuánticos bidimensionales, obtendo resultados concretos. Estes algoritmos clásicos foron obtidos grazas ao desenvolvemento de descricións clásicas luminosas. Ao mesmo tempo, soubemos que algúns sistemas que antes parecían simples son sorprendentemente complexos. Estes estudos aclararon que sistemas cuánticos son fáciles e difíciles de simular.

O cuarto progreso foi a profundización na comprensión das canles cuánticas de comunicación. Desenvolveuse unha fermosa e completa teoría para coñecer como o complexo estado cuántico pode contribuír á comunicación clásica sobre as canles cuánticas. Moitos protocolos cuánticos de comunicación organizáronse en familias, unificando así gran parte da comprensión dos distintos tipos de comunicación posible coa información cuántica.

A posibilidade de resolver problemas de computación profundos Unha das
principais motivacións para traballar na ciencia da información cuántica é a posibilidade de que os algoritmos cuánticos rápidos resolvan problemas de computación importantes. Aquí, o avance experimentado na última década foi mixto, pois aínda que se fixo un gran esforzo, as ideas dos principais algoritmos mantéñense como fai 10 anos. Pero o avance técnico foi notable. Agora ben, aínda non entendemos que é exactamente o que fai fortes os computadores cuánticos, ou en que tipo de problemas espérase superar os computadores clásicos.

Nos próximos anos, os computadores cuánticos non só achegarán maior capacidade de computación, senón que son necesarios para resolver o problema enerxético. Un computador cuántico obtería unha mellora enerxética equivalente en catro qubit máis, e sen apenas incrementos de enerxía resolvería problemas difíciles. Por iso, non é necesario obter unha redución significativa do tempo empregado para captar o aforro enerxético que pode supor a computación cuántica: as vantaxes están máis aló do cálculo cuántico.

* Qubit (ou bit cuántico) é o análogo mecánico cuántico dun bit clásico.