Físicos de Innsbruck dirigidos por Rainer Blatt y Peter Zoller obtuvieron experimentalmente una visión profunda sobre la naturaleza de las transiciones de fase cuánticas. Ellos son los primeros científicos que simularon la competencia entre los dos procesos dinámicos rivales en un nuevo tipo de transición entre dos órdenes de la mecánica cuántica. Se han publicado los resultados de su trabajo en la revista Nature Physics

«Cuando el agua hierve, sus moléculas se liberan en forma de vapor. Llamamos a este cambio del estado físico de la materia una transición de fase«, explica Sebastian Diehl del Instituto de Física Teórica de la Universidad de Innsbruck. Junto con sus colegas del Instituto de Física Experimental y el teórico Markus Mueller de la Universidad Complutense de Madrid, estudió la transición entre dos órdenes de la mecánica cuántica de una manera que nunca se había observado antes. Los físicos cuánticos en Innsbruck utilizaron un nuevo dispositivo para el experimento, que se considera actualmente como uno de los desarrollos más prometedores de la física cuántica: un simulador cuántico. Se basa en una computadora cuántica a pequeña escala y puede simular fenómenos físicos que un ordenador clásico no puede investigar de manera eficiente. «Este simulador cuántico nos permite estudiar experimentalmente los fenómenos cuánticos en sistemas de muchos cuerpos que se acoplan a su entorno», explican los físicos experimentales Philipp Schindler y Thomas Monz.

Observando la competencia

Con sólo unos pocos iones atrapados, los científicos simularon los complejos procesos físicos de las transiciones de fase cuánticas. Para ello, debieron manipular y controlar las partículas con alta precisión, y los físicos experimentales de Innsbruck son líderes mundiales en este campo. «Para este experimento se utiliza un simulador cuántico programable con hasta cinco iones», dice Philipp Schindler. Una de las partículas se utiliza como un medio para acoplar el sistema con el entorno clásico de una manera controlada. Los otros iones se utilizan para llevar a cabo operaciones cuánticas. «Llamamos a esto un simulador cuántico abierto. Por lo general, buscamos suprimir este acoplamiento, ya que destruye los frágiles efectos cuánticos en el sistema. Aquí, sin embargo, lo utilizamos para poner orden en el sistema mecánico cuántico», explica Schindler. «En nuestro caso, diseñamos un ambiente clásico, que genera dinámica disipativa, lo que lleva a frágiles correlaciones mecanocuánticas de largo alcance entre partículas distantes». En el siguiente paso, esta dinámica se pone en competencia con un tipo diferente de interacciones, ya que interrumpen la dinámica que crea el orden mecanocuántico. «De esta manera, podemos observar cómo se produce la competencia entre estos dos procesos y lo que ocurre precisamente en la transición entre dos órdenes distintos de la materia», explica el físico teórico Sebastian Diehl.

Reducción de errores

El experimento requiere un enorme grado de precisión, que requiere inmediatas correcciones de error para poder simular los procesos físicos correctamente. Dado que una corrección de errores integral, desarrollada para los ordenadores cuánticos, implica gastos considerables de recursos, los físicos de Innsbruck eligieron otra prometedora ruta alternativa. Se identificaron las fuentes más importantes de los errores que se producen durante la simulación y se centraron específicamente en ellos. Schindler está convencido: «Esta forma de reducción de errores seguramente será un ejemplo para otros experimentos. Mientras que la corrección de errores cuánticos en general sigue siendo un objetivo a largo plazo, podremos utilizar con éxito este tipo de corrección de errores mucho antes para la simulación cuántica fiable de sistemas más grandes «, añade Markus Müller.

Entrelazando la teoría con el experimento

Este estudio experimental de la naturaleza de las transiciones de fase de la mecánica cuántica es único en el mundo. Sólo fue posible porque se combinaron con éxito avanzados conocimientos experimentales con la investigación teórica, lo cual fue llevado a cabo en estrecha colaboración entre físicos de Innsbruck y Madrid. «Esta relación entre físicos teóricos y experimentales trabajando en estrecha colaboración, y en Innsbruck bajo un mismo techo, es posible en muy pocos lugares. También es una de las grandes fortalezas de la investigación en física cuántica que se realiza en Innsbruck. Y esta investigación, una vez más, nos ha llevado a un área de la física que no se había explorado antes», dice Rainer Blatt. «En este experimento, la física de sistemas de muchos cuerpos es simulada con éxito con algunos iones atrapados. Esto demuestra claramente el potencial y las posibilidades de la simulación cuántica «, añade Peter Zoller.

Publicación de referencia: Quantum simulation of dynamical maps with trapped ions (Simulación Cuántica de mapas dinámicos con iones atrapados). P. Schindler, M. Müller, D. Nigg, JT Barreiro, EA Martínez, M. Hennrich, T. Monz, S. Diehl, P. Zoller und R. Blatt. Nature Physics 2013 DOI: 10.1038/NPHYS2630

Fuente: Universidad de Innsbruck. Aportado por Eduardo J. Carletti

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