Simulador cuántico

Los simuladores cuánticos permiten el estudio de un sistema cuántico de forma programable. En este caso, los simuladores son dispositivos de propósito especial diseñados para proporcionar información sobre problemas físicos específicos. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} Los simuladores cuánticos pueden contrastarse con las computadoras cuánticas "digitales" programables en general , que serían capaces de resolver una clase más amplia de problemas cuánticos.

Un simulador cuántico universal es una computadora cuántica propuesta por Yuri Manin en 1980 ^{[ 4 ]} y Richard Feynman en 1982. ^{[ 5 ]}

Un sistema cuántico puede ser simulado por una máquina de Turing o una máquina de Turing cuántica , ya que una máquina de Turing clásica puede simular una computadora cuántica universal (y, por lo tanto, cualquier simulador cuántico más simple), lo que significa que son equivalentes desde el punto de vista de la teoría de la computabilidad . Se ha demostrado que la simulación de la física cuántica por una computadora clásica es ineficiente. ^{[ 6 ]} En otras palabras, las computadoras cuánticas no proporcionan potencia adicional sobre las computadoras clásicas en términos de computabilidad, pero se sospecha que pueden resolver ciertos problemas más rápido que las computadoras clásicas, lo que significa que pueden estar en diferentes clases de complejidad , razón por la cual las máquinas de Turing cuánticas son útiles para simular sistemas cuánticos. Esto se conoce como supremacía cuántica , la idea de que hay problemas que solo las máquinas de Turing cuánticas pueden resolver en cualquier cantidad de tiempo factible .

Un sistema cuántico de muchas partículas podría simularse mediante una computadora cuántica utilizando una cantidad de bits cuánticos similar a la cantidad de partículas en el sistema original. ^{[ 5 ]} Esto se ha extendido a clases mucho más grandes de sistemas cuánticos. ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}

Se han realizado simuladores cuánticos en varias plataformas experimentales, incluyendo sistemas de gases cuánticos ultrafríos , moléculas polares, iones atrapados, sistemas fotónicos, puntos cuánticos y circuitos superconductores. ^{[ 11 ]}

Muchos problemas importantes en física, especialmente la física de bajas temperaturas y la física de muchos cuerpos , siguen sin comprenderse bien debido a la enorme complejidad de la mecánica cuántica subyacente . Las computadoras convencionales, incluidas las supercomputadoras, son inadecuadas para simular sistemas cuánticos con tan solo 30 partículas porque la dimensión del espacio de Hilbert crece exponencialmente con el número de partículas. ^{[ 12 ]} Se necesitan mejores herramientas computacionales para comprender y diseñar racionalmente materiales cuyas propiedades se cree que dependen del comportamiento cuántico colectivo de cientos de partículas. ^{[ 2 ] [ 3 ]} Los simuladores cuánticos proporcionan una vía alternativa para comprender las propiedades de estos sistemas. Estos simuladores crean realizaciones limpias de sistemas específicos de interés, lo que permite realizaciones precisas de sus propiedades. El control preciso y la amplia capacidad de ajuste de los parámetros del sistema permiten separar claramente la influencia de varios parámetros.

Los simuladores cuánticos pueden resolver problemas difíciles de simular en computadoras clásicas porque explotan directamente las propiedades cuánticas de las partículas reales. En particular, explotan una propiedad de la mecánica cuántica llamada superposición , en la que una partícula cuántica puede estar en dos estados distintos al mismo tiempo, por ejemplo, alineada y antialineada con un campo magnético externo. Fundamentalmente, los simuladores también aprovechan una segunda propiedad cuántica llamada entrelazamiento , que permite correlacionar el comportamiento incluso de partículas físicamente bien separadas. ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 13 ]}

Recientemente se han utilizado simuladores cuánticos para obtener cristales de tiempo ^{[ 14 ] [ 15 ]} y líquidos de espín cuánticos . ^{[ 16 ] [ 17 ]}

El sistema basado en trampas de iones constituye un entorno ideal para simular interacciones en modelos de espín cuántico. ^{[ 18 ]} Un simulador de iones atrapados , construido por un equipo que incluía al NIST , puede diseñar y controlar interacciones entre cientos de bits cuánticos (qubits). ^{[ 19 ]} Los intentos anteriores no lograron superar los 30 bits cuánticos. La capacidad de este simulador es 10 veces mayor que la de los dispositivos anteriores. Ha superado una serie de importantes pruebas de rendimiento que indican su capacidad para resolver problemas en ciencia de materiales imposibles de modelar en computadoras convencionales.

El simulador de iones atrapados consiste en un diminuto cristal plano de cientos de iones de berilio , de menos de 1 milímetro de diámetro, que flota dentro de un dispositivo llamado trampa de Penning . El electrón más externo de cada ion actúa como un pequeño imán cuántico y se utiliza como un cúbit, el equivalente cuántico de un "1" o un "0" en una computadora convencional. En el experimento de referencia, los físicos utilizaron haces láser para enfriar los iones hasta casi el cero absoluto. Posteriormente, pulsos de microondas y láser cuidadosamente sincronizados provocaron la interacción de los cúbits, imitando el comportamiento cuántico de materiales que, de otro modo, serían muy difíciles de estudiar en el laboratorio. Aunque los dos sistemas puedan parecer diferentes externamente, su comportamiento está diseñado para ser matemáticamente idéntico. De esta manera, los simuladores permiten a los investigadores variar parámetros que no podrían modificarse en sólidos naturales, como el espaciado y la geometría de la red atómica.

Friedenauer et al., manipularon adiabáticamente 2 espines, mostrando su separación en estados ferromagnéticos y antiferromagnéticos. ^{[ 20 ]} Kim et al., extendieron el simulador cuántico de iones atrapados a 3 espines, con interacciones de Ising antiferromagnéticas globales que presentan frustración y muestran el vínculo entre frustración y entrelazamiento ^{[ 21 ]} e Islam et al., utilizaron simulación cuántica adiabática para demostrar el agudización de una transición de fase entre ordenamiento paramagnético y ferromagnético a medida que el número de espines aumentaba de 2 a 9. ^{[ 22 ]} Barreiro et al. crearon un simulador cuántico digital de espines interactuantes con hasta 5 iones atrapados mediante acoplamiento a un reservorio abierto ^{[ 23 ]} y Lanyon et al. demostraron simulación cuántica digital con hasta 6 iones. ^{[ 24 ]} Islam, et al., demostraron una simulación cuántica adiabática del modelo de Ising transversal con interacciones de largo alcance variables con hasta 18 espines de iones atrapados, mostrando el control del nivel de frustración de espín ajustando el rango de interacción antiferromagnética. ^{[ 25 ]} Britton, et al. del NIST han validado experimentalmente las interacciones de Ising en un sistema de cientos de cúbits para estudios de magnetismo cuántico. ^{[ 19 ]} Pagano, et al., informaron sobre un nuevo sistema criogénico de atrapamiento de iones diseñado para el almacenamiento a largo plazo de grandes cadenas de iones, demostrando operaciones coherentes de uno y dos cúbits para cadenas de hasta 44 iones. ^{[ 26 ]} Joshi, et al., sondearon la dinámica cuántica de 51 iones controlados individualmente, logrando una cadena de espines con interacción de largo alcance. ^{[ 27 ]}

Muchos experimentos con átomos ultrafríos son ejemplos de simuladores cuánticos. Estos incluyen experimentos que estudian bosones o fermiones en redes ópticas , el gas de Fermi unitario y conjuntos de átomos de Rydberg en pinzas ópticas . Un hilo conductor entre estos experimentos es la capacidad de realizar hamiltonianos genéricos, como el hamiltoniano de Hubbard o el hamiltoniano de Ising de campo transversal . Los principales objetivos de estos experimentos incluyen la identificación de fases de baja temperatura o el seguimiento de la dinámica fuera del equilibrio para varios modelos, problemas que son teórica y numéricamente intratables. ^{[ 28 ] [ 29 ]} Otros experimentos han realizado modelos de materia condensada en regímenes que son difíciles o imposibles de realizar con materiales convencionales, como el modelo de Haldane y el modelo de Harper-Hofstadter , ^{[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]} o teorías de gauge de red simuladas . ^{[ 35 ]}

Los simuladores cuánticos que utilizan cúbits superconductores se dividen en dos categorías principales. En primer lugar, los llamados recocedores cuánticos determinan los estados fundamentales de ciertos hamiltonianos tras una rampa adiabática. Este enfoque se denomina a veces computación cuántica adiabática . En segundo lugar, muchos sistemas emulan hamiltonianos específicos y estudian las propiedades de su estado fundamental, las transiciones de fase cuánticas o la dinámica temporal. ^{[ 36 ]} Entre los resultados recientes más importantes se incluyen la realización de un aislante de Mott en un sistema de Bose-Hubbard impulsado-disipativo y estudios de transiciones de fase en redes de resonadores superconductores acoplados a cúbits. ^{[ 37 ] [ 38 ]}

• simulación hamiltoniana
• Máquina de Turing cuántica
• Computación cuántica

• El artículo de Deutsch de 1985