Ah, Paris! (dígase en acento francés). Cuna de la baguette, del cabaret, y siguiendo al cabaret en orden de importancia, ahora también de un simulador cuántico simple que usa átomos de Rydberg. Así es: unos amigos de l’Institut d’Optique cerca de París acaban de publicar en la revista Nature (una de las más prestigiosas revistas científicas) un estudio en el que demuestran un simulador cuántico “básico” utilizando átomos de Rydberg.

Esquema experimental del experimento, tomado de Labuhn et al., http://arxiv.org/abs/1509.04543

¿Qué es un simulador cuántico? En el mundillo de la física cuántica, hay mucha gente que quiere saber de qué manera se comportarían ciertos materiales con propiedades cuánticas porque podrían ser muy útiles a la sociedad (por ejemplo, algunas cerámicas a base de óxido de cobre que son superconductoras a altas temperaturas), pero la única manera que tienen de saber qué propiedades tienen es sintetizarlos y hacer experimentos con ellos. Y esto es muy costoso y largo la mayor parte de las veces. Uno podría pensar en hacer una simulación con un ordenador, pero esta empresa tiene un pequeño inconveniente: los sistemas cuánticos de muchas partículas son difíciles de simular, porque la cantidad de memoria y potencia de cálculo necesarias aumentan exponencialmente con el número de partículas; intentar simular de manera exacta sistemas de 30 partículas es muy difícil, y más de 50 partículas no es práctico, ni con los mejores superordenadores actuales (1). Lo que se le ocurrió a Feynman, premio Nobel de física del siglo pasado (aunque no por este trabajo) es que quizás podríamos utilizar sistemas cuánticos sencillos y controlables que nos permitan predecir cómo se comportarían sistemas más complejos. Estos simuladores serían capaces de reproducir la física detrás de estos materiales y, por lo tanto, predecir sus propiedades, aunque no hayamos creado este material.

Es como cuando aprendemos a conducir utilizando un simulador: para un novato, conducir en la calle es muy complicado, así que el simulador nos permite practicar en situaciones controladas (por ejemplo, sin coches) y después ir añadiendo elementos (más tráfico, semáforos, señales,…) para conseguir resultados más realistas. Del mismo modo, se pueden utilizar sistemas sencillos como cadenas o cuerdas para “simular” las fuerzas que actuan sobre un edificio y optimizar la forma de los arcos que sostienen una iglesia.

Por supuesto, un simulador cuántico “universal” sería capaz de simular cualquier sistema que obedeciera las leyes de la mecánica cuántica, pero ese simulador tendría que ser capaz de implementar cualquier tipo de interacción en cualquier tipo de geometría hasta en 3 dimensiones. Y esto es MUY complicado. Es tan complicado que hasta ahora solo hemos podido construir simuladores de los modelos más sencillos, bajo ciertas aproximaciones.

Por ello los investigadores del Institut d’Optique hicieron un simulador de uno de los modelos más sencillos y famosos: el modelo de Ising. Para ello, atrapan átomos de Rubidio en trampas reconfigurables utilizando moduladores espaciales de luz (SLM por sus siglas en inglés) y después los excitan utilizando láseres a estados electrónicos con alto número principal cuántico. En estos estados los átomos interactúan muy fuertemente a “grandes” distancias (micrómetros) a través de las interacciones dipolo-dipolo, unas interacciones que dependen de la posición entre dos de esas excitaciones. Como pueden reconfigurar esas trampas, pueden controlar de qué manera estos átomos interactúan entre sí – que es de lo que tratan los simuladores cuánticos: poder tener un sistema con interacciones controlables.

Quiero enfatizar que el punto importante aquí es que las interacciones entre estos átomos son fuertes a distancias de micras (una millonésima parte de un metro) y no, por ejemplo, de nanómetros (una milmillonésima parte), como ocurre con átomos en el estado fundamental o primer estado excitado: si la distancia fuese menor no podríamos utilizar trampas ópticas (por ejemplo, las generadas por los SLMs) para controlar la geometría debido a límite de difracción – tema muy interesante y del que quizás hablemos en otro momento.

Dado que el número de átomos con los que trabajan es pequeño (menos que 50), los resultados son simulables con ordenadores actuales. Si aumentásemos el número de átomos llegaría un momento en que no podríamos hacer simulaciones para testear los resultados, de modo que la manera más fácil de describir el sistema sería hacer el experimento.

Si nos fijamos bien, en la figura (e) podemos ver una diferencia entre los datos experimentales (circulos) y la teoría (linea azul): esto es posiblemente debido a que la teoría utilizada esta simplificando demasiado el problema. Sin embargo, en el resto de las figuras del artículo, la teoría reproduce muy bien el experimento.

Este experimento es un pequeño paso en la dirección correcta (en lo que se refiere a la simulación cuántica). Hasta ahora la comunidad científica ha construido simuladores simples con átomos ultrafríos en redes ópticas, con trampas de iones, redes de circuitos superconductores y con chips fotónicos, pero este estudio y otros esfuerzos muestran que hay un nuevo jugador en el campo al que hay que prestar atención: los átomos de Rydberg.

Nota (1): El por qué la memoria y potencia de computación necesarias aumenta exponencialmente con el número de particulas en los sistemas cuánticos está íntimamente relacionado con el principio de superposición y el entrelazamiento cuántico, que impide que describamos estos sistemas como un conjunto de partículas independientes. Como diría Feynman en uno de los capítulos de sus famosas “Lecturas de física“:

En este capítulo abordaremos inmediatamente el elemento básico del comportamiento misterioso [del mundo cuántico] en su manera más extraña. Elegimos examinar un fenómento que es imposible, absolutamente imposible de explicar de ninguna manera “clásica”, y que se encuentra en el corazón de la mecánica cuántica. En realidad, contiene el único misterio.

• Podéis encontrar el estudio original aquí y la versión libre en el arxiv.
• Transcripción de uno de los trabajos seminales de Feynman, “There’s plenty of room at the bottom” (“Hay mucho sitio al fondo”) [en inglés]
• Página de la Coherence ITN, una red de investigación europea que se centraba en el estudio de átomos Rydberg.
• Página con algunos enlaces a proyectos europeos FET de simulación cuántica

Debo dar las gracias a la Agencia Europea por su ayuda con la beca Marie Skłodowska–Curie número 658258, a través del programa de investigación e innovación Horizonte 2020, que me facilita el poder llevar a cabo mi investigación y divulgar la ciencia. Esta entrada refleja solo mi opinión, y la Agencia no es responsable del uso que se haga con la información que contiene.