{"id":76149,"date":"2024-02-12T16:17:17","date_gmt":"2024-02-12T14:17:17","guid":{"rendered":"https:\/\/revistaidees.cat\/simulacio-quantica-configurant-lhoritzo-de-la-tecnologia-del-futur\/"},"modified":"2024-07-02T14:08:28","modified_gmt":"2024-07-02T12:08:28","slug":"simulacio-quantica-configurant-lhoritzo-de-la-tecnologia-del-futur","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/revistaidees.cat\/es\/simulacio-quantica-configurant-lhoritzo-de-la-tecnologia-del-futur\/","title":{"rendered":"Simulaci\u00f3n cu\u00e1ntica: configurando el horizonte de la tecnolog\u00eda del futuro"},"content":{"rendered":"\n

Aunque los medios de comunicaci\u00f3n a menudo plantean la computaci\u00f3n cu\u00e1ntica en el marco de una revoluci\u00f3n, la computaci\u00f3n cu\u00e1ntica es, fundamentalmente, una extensi\u00f3n del esfuerzo humano persistente por acelerar la transferencia de informaci\u00f3n y aumentar la densidad. Este viaje empez\u00f3 con datos pictogr\u00e1ficos que civilizaciones antiguas grababan en las paredes de las cuevas, y despu\u00e9s evolucion\u00f3 hacia el uso del papel, que hac\u00eda posible transportar la informaci\u00f3n escrita por medio de palomas o de caballos. Por otra parte, la informaci\u00f3n pas\u00f3 de los pictogramas a los alfabetos, cosa que permiti\u00f3 una codificaci\u00f3n m\u00e1s densa de la informaci\u00f3n. La invenci\u00f3n de la tipograf\u00eda aument\u00f3 la velocidad de creaci\u00f3n y reproducci\u00f3n de informaci\u00f3n m\u00e1s all\u00e1 de la escritura a mano. Pero el cambio m\u00e1s sustancial lleg\u00f3 con el tel\u00e9grafo, que utilizaba la electricidad como portadora de informaci\u00f3n.<\/p>\n\n\n\n

Curiosamente, eso marc\u00f3 un l\u00edmite aproximado para la evoluci\u00f3n de la velocidad de la distribuci\u00f3n de la informaci\u00f3n. Con la informaci\u00f3n desplaz\u00e1ndose por los cables el\u00e9ctricos, aproximadamente al 70%-80% de la velocidad de la luz, el aumento conseguido con la fibra \u00f3ptica no fue gran cosa en comparaci\u00f3n con el cambio que represent\u00f3 pasar de los caballos a la electricidad. El aspecto revolucionario del tel\u00e9grafo tambi\u00e9n se basa en el uso de electrones para codificar la informaci\u00f3n. Simplific\u00e1ndolo, la ausencia de un electr\u00f3n se representa con un 0, mientras que su presencia simboliza el 1; se trata de un sistema binario que codifica toda la informaci\u00f3n necesaria, ahora conocida como bit, que todav\u00eda se utiliza en todos nuestros dispositivos electr\u00f3nicos.<\/p>\n\n\n\n

\u00bfAs\u00ed pues, qu\u00e9 es la computaci\u00f3n cu\u00e1ntica y por qu\u00e9 resulta tan atractiva? En esencia, es un paso progresivo m\u00e1s all\u00e1 del m\u00e9todo binario contempor\u00e1neo de codificaci\u00f3n y procesamiento de la informaci\u00f3n. La computaci\u00f3n cu\u00e1ntica profundiza m\u00e1s, controlando el estado del portador y codificando informaci\u00f3n en su estructura (el spin <\/em>de un electr\u00f3n o la polarizaci\u00f3n de un fot\u00f3n, por ejemplo), etiquetada como qbit. Eso facilita que el procesamiento y la transferencia de la informaci\u00f3n sean m\u00e1s densos y, por lo tanto, m\u00e1s eficientes, el objetivo \u00faltimo de todas las exploraciones cient\u00edficas en computaci\u00f3n cu\u00e1ntica.<\/p>\n\n\n\n

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La computaci\u00f3n cu\u00e1ntica es, fundamentalmente, una extensi\u00f3n del esfuerzo humano persistente por acelerar la transferencia de informaci\u00f3n y aumentar la densidad. En esencia, es un paso progresivo m\u00e1s all\u00e1 del m\u00e9todo binario contempor\u00e1neo de codificaci\u00f3n y procesamiento de la informaci\u00f3n<\/p>\n<\/blockquote>\n<\/blockquote>\n<\/div>\n\n\n\n

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No obstante, esta perspectiva innovadora para transmitir y procesar informaci\u00f3n tiene implicaciones sustanciales. Requiere enfoques completamente nuevos para el procesamiento de la informaci\u00f3n y utilizar sistemas cu\u00e1nticos (qbits) como portadores de esta informaci\u00f3n. Las reglas de la f\u00edsica cu\u00e1ntica, como el entrelazamiento y la superposici\u00f3n de los estados 0 y 1, se tienen que aprovechar para un procesamiento m\u00e1s r\u00e1pido de la informaci\u00f3n, lo cual da lugar a una ventaja cu\u00e1ntica. Esta ventaja ocurre cuando un ordenador cu\u00e1ntico supera uno cl\u00e1sico en una tarea computacional. Pero para conseguirlo hace falta dise\u00f1ar puertas l\u00f3gicas completamente nuevas y fabricarlas f\u00edsicamente, garantizar la conectividad total entre los qbits y establecer estrategias innovadoras para minimizar los posibles errores. La informaci\u00f3n codificada en sistemas cu\u00e1nticos es extremamente delicada y determinados factores ambientales, como la temperatura, pueden alterarla. Adem\u00e1s, la falta de algoritmos cu\u00e1nticos demostrados m\u00e1s r\u00e1pidos que los ordenadores cl\u00e1sicos es un obst\u00e1culo notable, con un progreso limitado desde la introducci\u00f3n de los algoritmos de Shor (1994) y de Grover (1996).<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n\n\n\n

Por lo tanto, quiz\u00e1s alguien se preguntar\u00e1 si la computaci\u00f3n cu\u00e1ntica no es simplemente una exageraci\u00f3n. Nosotros, sin embargo, consideramos que es m\u00e1s que una moda pasajera: es un viaje cient\u00edfico importante y trascendente. Puede ser que el escepticismo del p\u00fablico sea consecuencia de promesas exageradas hechas por empresas cu\u00e1nticas y que no se han podido materializar. Adem\u00e1s, parece que es excesiva la orientaci\u00f3n a conseguir la supremac\u00eda cu\u00e1ntica. Nosotros sugerimos ver la computaci\u00f3n cu\u00e1ntica como una empresa cient\u00edfica nueva y compartida. Ya nos ha permitido manipular \u00e1tomos, fotones, electrones y mucho m\u00e1s maneras que nunca nos habr\u00edamos podido imaginar. La computaci\u00f3n cu\u00e1ntica ha estimulado enormes avances cient\u00edficos y tecnol\u00f3gicos en muchas \u00e1reas; por ejemplo, la fabricaci\u00f3n de fot\u00f3nica integrada, los circuitos superconductores, la criogenia, el control de la luz, el desarrollo de algoritmos y la generaci\u00f3n de entrelazamiento. Estas consecuciones por s\u00ed solas justifican el apoyo y el desarrollo continuos de la computaci\u00f3n cu\u00e1ntica, incluso si la supremac\u00eda cu\u00e1ntica pr\u00e1ctica no se materializa nunca.<\/p>\n\n\n\n

Una ventaja innegable de desarrollar un ordenador cu\u00e1ntico universal ser\u00eda la capacidad de crear un simulador cu\u00e1ntico digital, capaz de simular cualquier material o reacci\u00f3n qu\u00edmica, un objetivo imposible de alcanzar con los ordenadores cl\u00e1sicos. Sorprendentemente, para eso no se necesitan nuevos algoritmos: la comunidad de f\u00edsicos ya ha desarrollado el formalismo necesario para estas simulaciones y est\u00e1 a punto para implementarlas en un simulador cu\u00e1ntico digital cuando est\u00e9 disponible. Creemos que esta es una de las aplicaciones m\u00e1s prometedoras e impactantes de la computaci\u00f3n cu\u00e1ntica.<\/p>\n\n\n\n

Sin embargo, hasta que no se resuelvan los problemas del ordenador cu\u00e1ntico universal con correcci\u00f3n de errores, la obtenci\u00f3n de aplicaciones realistas y pr\u00e1cticas de la computaci\u00f3n cu\u00e1ntica que sean importantes para la ciencia y la tecnolog\u00eda continuar\u00e1 en el dominio de los ordenadores cu\u00e1nticos de finalidad especial, es decir, los simuladores cu\u00e1nticos.<\/p>\n\n\n\n

La idea detr\u00e1s de la simulaci\u00f3n cu\u00e1ntica se puede esbozar brevemente de la manera siguiente. Sabemos que existen muchos fen\u00f3menos cu\u00e1nticos interesantes como la superconductividad, que pueden tener aplicaciones tecnol\u00f3gicas importantes. Estos fen\u00f3menos a menudo son dif\u00edciles de describir por medio de ordenadores cl\u00e1sicos. En cambio, podemos utilizar otro sistema cu\u00e1ntico m\u00e1s sencillo y que se puede controlar mejor para simular, comprender y controlar estos fen\u00f3menos, tal como propusieron inicialmente Y. I. Manin y R. P. Feynman. Este sistema funcionar\u00eda, pues, como un ordenador cu\u00e1ntico de finalidad especial, y eso es lo que denominamos simulador cu\u00e1ntico.<\/p>\n\n\n\n

Actualmente ya hay varias plataformas bien desarrolladas en que se hace simulaci\u00f3n cu\u00e1ntica y se ha conseguido la supremac\u00eda cu\u00e1ntica \u00abpr\u00e1ctica\u00bb. En este punto, tambi\u00e9n tenemos que remarcar que la simulaci\u00f3n cu\u00e1ntica puede ser anal\u00f3gica o digital. En el \u00faltimo caso, cualquier plataforma que ofrezca herramientas para la computaci\u00f3n cu\u00e1ntica universal tambi\u00e9n se puede utilizar con finalidades especiales, es decir, para la simulaci\u00f3n cu\u00e1ntica. En los siguientes p\u00e1rrafos presentamos algunos ejemplos de la larga lista de plataformas f\u00e1cilmente disponibles.<\/p>\n\n\n\n

Plataformas de simulaci\u00f3n cu\u00e1ntica<\/strong><\/h5>\n\n\n\n

Por una parte, grandes empresas como Google y D-Wave utilizan qbits superconductores, que permiten, en principio, una computaci\u00f3n cu\u00e1ntica ruidosa, pero universal, y que muy a menudo se utilizan para la simulaci\u00f3n cu\u00e1ntica digital. Otras opciones para la simulaci\u00f3n cu\u00e1ntica digital son el circuito QED \u2014sistemas de qbits superconductores situados en microcavidades\u2014, puntos cu\u00e1nticos, qbits de spin en semiconductores, sistemas fot\u00f3nicos \u2014que, combinados con el recuento de fotones, pueden imitar un ordenador cu\u00e1ntico universal\u2014 o iones atrapados, que permiten la computaci\u00f3n cu\u00e1ntica universal, pero que tambi\u00e9n se pueden utilizar como simuladores cu\u00e1nticos anal\u00f3gicos para describir, por ejemplo, sistemas de spin semientero, en lugar de modelos de Hubbard.<\/p>\n\n\n\n

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Una ventaja innegable de desarrollar un ordenador cu\u00e1ntico universal ser\u00eda la capacidad de crear un simulador cu\u00e1ntico digital, capaz de simular cualquier material o reacci\u00f3n qu\u00edmica, un objetivo imposible de alcanzar con los ordenadores cl\u00e1sicos<\/p>\n<\/blockquote>\n<\/blockquote>\n<\/div>\n\n\n\n

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Por otra parte, los \u00e1tomos ultrafr\u00edos son buenos candidatos para la simulaci\u00f3n cu\u00e1ntica anal\u00f3gica y se pueden capturar con trampas o, m\u00e1s a menudo, con redes \u00f3pticas. Son muy flexibles y permiten simular modelos complejos de Hubbard, as\u00ed como sistemas de spin. Otras plataformas para la simulaci\u00f3n cu\u00e1ntica anal\u00f3gica son los \u00e1tomos de Rydberg, unos \u00e1tomos que se pueden excitar hasta estados de Rydberg altos y quedar atrapados en pinzas \u00f3pticas, muy \u00fatiles para imitar sistemas de spin con interacciones de largo alcance; o los sistemas twistr\u00f2nics, doble capa de grafeno con rotaci\u00f3n u otros sistemas de materiales 2D. Por un peque\u00f1o \u00e1ngulo de giro \u00abm\u00e1gico\u00bb, se forman patrones de muar\u00e9 peri\u00f3dicos a escala de longitud mucho mayor que la escalera t\u00edpica de la materia condensada, de manera tal que se pueden considerar como simuladores cu\u00e1nticos de materia condensada.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n\n\n\n

Todas estas plataformas de simulaci\u00f3n cu\u00e1ntica ya se utilizan para las tareas y objetivos que se mencionan al final de este apartado. La aplicaci\u00f3n m\u00e1s desarrollada es el estudio de los problemas fundamentales de la f\u00edsica, en la que se cree que muchos de los resultados obtenidos alcanzan la ventaja cu\u00e1ntica. En segundo lugar, se pueden utilizar para aplicaciones de la qu\u00edmica cu\u00e1ntica, si bien este campo es bastante nuevo y todav\u00eda est\u00e1 lejos de la precisi\u00f3n y la exactitud de la qu\u00edmica cu\u00e1ntica te\u00f3rica contempor\u00e1nea. Finalmente, la simulaci\u00f3n cu\u00e1ntica tambi\u00e9n se puede aplicar a problemas de optimizaci\u00f3n cl\u00e1sicos o cu\u00e1nticos para la tecnolog\u00eda. Esta aplicaci\u00f3n tambi\u00e9n se encuentra en una fase inicial y todav\u00eda no puede competir con los m\u00e9todos cl\u00e1sicos de los superordenadores.<\/p>\n\n\n\n

En las pr\u00f3ximas d\u00e9cadas, tal como se refleja claramente en los futuros programas de Quantum Flagship, esperamos que las plataformas utilizadas se mantengan igual, aunque los retos y los enfoques ser\u00e1n muy diferentes. Los simuladores cu\u00e1nticos del futuro tendr\u00e1n que ser dispositivos robustos, escalables, programables, accesibles externamente y estandarizados, adem\u00e1s de verificables, comprobables y certificables. Por otra parte, las prioridades con respecto a tareas y objetivos se invertir\u00e1n. Se espera que los problemas de optimizaci\u00f3n aplicables a la tecnolog\u00eda ocupen el primer lugar del podio y que la qu\u00edmica cu\u00e1ntica se mantenga en el segundo lugar, mientras que los problemas fundamentales de la f\u00edsica no perder\u00e1n importancia, pero s\u00ed su estatus de ser los \u00fanicos problemas en esta \u00e1rea donde se pueden alcanzar ventajas cu\u00e1nticas pr\u00e1cticas. En resumen, en el futuro la simulaci\u00f3n cu\u00e1ntica se ocupar\u00e1 de la lista de prioridades siguiente:
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  • Generaci\u00f3n, manipulaci\u00f3n y aplicaciones de estados masivamente entrelazados, \u00fatiles, para la comunicaci\u00f3n cu\u00e1ntica, la metrolog\u00eda cu\u00e1ntica, la teledetecci\u00f3n y la detecci\u00f3n.

    <\/li>\n\n\n\n
  • Problemas de optimizaci\u00f3n cl\u00e1sicos y cu\u00e1nticos en el \u00e1mbito de la tecnolog\u00eda.

    <\/li>\n\n\n\n
  • Qu\u00edmica cu\u00e1ntica, incluidos nuevos m\u00e9todos de simulaci\u00f3n de qu\u00edmica cu\u00e1ntica que van m\u00e1s all\u00e1 de los dispositivos NISQ y los simuladores anal\u00f3gicos.

    <\/li>\n\n\n\n
  • Problemas fundamentales de f\u00edsica, con un enfoque espec\u00edfico en simulaciones de sistemas para materia condensada, f\u00edsica de altas energ\u00edas (FAE) y teor\u00eda cu\u00e1ntica de campos (TQC).

    <\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n
    Catalunya en el \u00e1mbito de la simulaci\u00f3n cu\u00e1ntica<\/h5>\n\n\n\n

    En los p\u00e1rrafos siguientes, presentamos algunas simulaciones cu\u00e1nticas de problemas fundamentales de la f\u00edsica sobre los cuales hoy se hace investigaci\u00f3n a Catalunya y analizamos algunas de las grandes consecuciones de la simulaci\u00f3n cu\u00e1ntica de los \u00faltimos a\u00f1os.<\/p>\n\n\n\n

    Modelo de Fermi-Hubbard: un sistema cl\u00e1sico paradigm\u00e1tico y notoriamente dif\u00edcil de simular es, por descontado, el modelo de Fermi-Hubbard, que muchos creen que constituye el tu\u00e9tano del fen\u00f3meno de la superconductividad a alta temperatura. El grupo de Markus Greiner de Harvard es el l\u00edder de los simuladores cu\u00e1nticos de Fermi-Hubbard. Un buen ejemplo de lo que pueden hacer los simuladores cu\u00e1nticos en este contexto es, como escriben los autores, el siguiente: \u00abEntender los estados cu\u00e1nticos de muchos cuerpos fuertemente correlacionados es uno de los retos m\u00e1s dif\u00edciles de la f\u00edsica moderna. Por ejemplo, todav\u00eda hay preguntas fundamentales abiertas sobre el diagrama de fase del modelo de Hubbard, que describe electrones fuertemente correlacionados en s\u00f3lidos [\u2026]. Realizamos el hamiltoniano de Hubbard y buscamos patrones espec\u00edficos dentro de las im\u00e1genes individuales de muchas realizaciones de fermiones ultrafr\u00edos fuertemente correlacionados en una red \u00f3ptica\u00bb.<\/p>\n\n\n\n

    Gotas cu\u00e1nticas: otro tipo de sistemas que suelen ser dif\u00edciles de simular son los que presentan inestabilidad intr\u00ednseca compensada por fuertes interacciones, fluctuaciones cu\u00e1nticas u otras mec\u00e1nicas, que llevan a la creaci\u00f3n de solitones autolimitados, gotas l\u00edquidas (ver la figura 2) y texturas parecidas. L\u00edquidos y gases son dos fases diferentes de la materia que forman parte de nuestra vida cotidiana. As\u00ed como los gases son diluidos, compresibles y adoptan la medida del recipiente que los contiene, los l\u00edquidos son densos, tienen un volumen fijo y forman gotas en peque\u00f1as cantidades. Las gotas son conjuntos de part\u00edculas que permanecen ligadas por s\u00ed mismas y tienen una superficie libre que las separa del medio. Si se aumenta la temperatura, se puede inducir una transici\u00f3n de fase de l\u00edquido a gas. Es lo que pasa exactamente cuando hacemos hervir agua en una olla. \u00bfPero los gases siempre son diluidos y los l\u00edquidos siempre son densos? Normalmente s\u00ed, pero las cosas pueden ser muy diferentes a temperaturas muy bajas. Recientemente, el grupo de Leticia Tarruell de l’ICFO ha creado un l\u00edquido cien millones de veces m\u00e1s diluido que el agua y un mill\u00f3n de veces m\u00e1s delgado que el aire.<\/p>\n\n\n

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    Figura 1. Visi\u00f3n art\u00edstica de una gota de l\u00edquido cu\u00e1ntico formada mezclando dos gases de \u00e1tomos de potasio ultrafr\u00edo. Adaptaci\u00f3n gr\u00e1fica. Imagen original: \u00a9ICFO\/PovarchikStudiosBarcelona<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n



    Sistemas fundamentales de materia condensada, FAE y TQC: En los \u00faltimos a\u00f1os, se ha prestado una gran atenci\u00f3n a la simulaci\u00f3n cu\u00e1ntica de modelos FAE (f\u00edsica de alta energ\u00eda) y a las teor\u00edas de gauge en ret\u00edculo y sistemas relacionados. En este caso, el reto es controlar interacciones de muchos cuerpos: interacciones \u00abmagn\u00e9ticas\u00bb sobre las plaquetas del ret\u00edculo e interacciones \u00abel\u00e9ctricas\u00bb regidas por la ley de Gauss, es decir, la invariabilidad de contraste local.<\/p>\n\n\n\n

    El modelo de Schwinger: la versatilidad de los iones atrapados los hace especialmente adecuados tanto para la simulaci\u00f3n digital como anal\u00f3gica de la teor\u00eda de gauge en ret\u00edculo. Estos sistemas pueden servir como ordenadores cu\u00e1nticos universales y, en principio, realizar interacciones y restricciones de pocos cuerpos. El grupo de Rainer Blatt consigui\u00f3 \u00abla primera demostraci\u00f3n experimental de una simulaci\u00f3n cu\u00e1ntica digital de una teor\u00eda de gauge en ret\u00edculo, realizando electrodin\u00e1mica cu\u00e1ntica (1 + 1)-dimensional (modelo de Schwinger) en un ordenador cu\u00e1ntico de iones atrapados de pocos qbits\u00bb. Les interesaba la evoluci\u00f3n en tiempo real del mecanismo de Schwinger, que describe la inestabilidad del vac\u00edo desnudo (bare vacuum<\/em>) a causa de fluctuaciones cu\u00e1nticas, y que se manifiesta en la creaci\u00f3n espont\u00e1nea de pares electr\u00f3n-positr\u00f3n.<\/p>\n\n\n

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    Figura 2. Un par part\u00edcula-antipart\u00edcula (un mes\u00f3n) empieza a extenderse y termalizarse, pero enseguida empieza a notar efectos de confinamiento y oscila ad infinitum sin termalizaci\u00f3n aparente. Cr\u00e9dito de imagen: Titas Chanda<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n

    Modelo de Schwinger bos\u00f2nic: las teor\u00edas relativistas cu\u00e1nticas de gauge son teor\u00edas fundamentales de la materia que describen la naturaleza. Son ejemplos paradigm\u00e1ticos la electrodin\u00e1mica cu\u00e1ntica \u2014que describe las interacciones electromagn\u00e9ticas de part\u00edculas cargadas y fotones\u2014, la cromodin\u00e0mica \u2014que describe las interacciones fuertes de cuarks y gluones- y el modelo est\u00e1ndar, que unifica las dos \u00faltimas con las interacciones d\u00e9biles. A pesar del enorme progreso con respecto a nuestra comprensi\u00f3n de las teor\u00edas cu\u00e1nticas de gauge, las cuestiones relativas al comportamiento de los sistemas descritos por estas teor\u00edas en presencia de correlaciones fuertes contin\u00faan ampliamente abiertas: desde la naturaleza misma del confinamiento del cuark hasta el comportamiento del cuark-glu\u00f3n-plasma a altas densidades y temperaturas. Por otra parte, la din\u00e1mica cu\u00e1ntica de no equilibrio de las teor\u00edas cu\u00e1nticas de gauge cae fuera del alcance de los ordenadores actuales. Es por eso que se trabaja intensamente para dise\u00f1ar e investigar simuladores cu\u00e1nticos de estos tipos de sistemas.<\/p>\n\n\n\n

    En el modelo de Schwinger, el modelo paradigm\u00e1tico de la teor\u00eda cu\u00e1ntica de gauge en una dimensi\u00f3n espacial y en el tiempo, los electrones \u00abcargados\u00bb (fermiones) interact\u00faan con los fotones (bosones) en una dimensi\u00f3n. Como las simulaciones cu\u00e1nticas con fermiones son extremamente dif\u00edciles, el grupo de \u00f3ptica cu\u00e1ntica del ICFO, en colaboraci\u00f3n con el grupo de Cracovia de Jakub Zakrzewski, propuso una versi\u00f3n bos\u00f2nica del modelo de Schwinger. Utilizando m\u00e9todos de \u00faltima generaci\u00f3n de f\u00edsica te\u00f3rica, se investig\u00f3 c\u00f3mo se comporta la materia bos\u00f2nica cuando se encuentra en no equilibrio mediante la creaci\u00f3n de un par part\u00edcula-antipart\u00edcula sobre el vac\u00edo del sistema. Los tres resultados principales son importantes para entender las teor\u00edas cu\u00e1nticas de gauge en general (ver la figura 3). Este trabajo abre un camino hacia simulaciones cu\u00e1nticas de teor\u00edas cu\u00e1nticas de gauge en reg\u00edmenes nuevos e inexplorados.<\/p>\n\n\n

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    Figura 3. Estados \u00f3pticos del gato de Schr\u00f6dinger en interacci\u00f3n intensa l\u00e1ser-materia. \u00a9ICFO \/ Scixel – E. Sahagun<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n

    Nuevos simuladores cu\u00e1nticos (NOQIA): recientemente, el ICFO ha propuesto una plataforma completamente nueva para la simulaci\u00f3n cu\u00e1ntica de attociencia y procesos ultrarr\u00e1pidos. Durante las \u00faltimas cuatro d\u00e9cadas, se han hecho avances sorprendentes en el campo de las tecnolog\u00edas de l\u00e1ser y en la comprensi\u00f3n de las interacciones luz-materia en el r\u00e9gimen no lineal. Gracias a eso, los cient\u00edficos han podido llevar a cabo experimentos sumamente complejos relacionados, por ejemplo, con pulsos de luz ultrarr\u00e1pidos en el rango visible e infrarrojo, y alcanzar objetivos cruciales como el uso de los mismos electrones de una mol\u00e9cula para obtener im\u00e1genes de su estructura y ver c\u00f3mo se reordena, vibra o se rompe durante una reacci\u00f3n qu\u00edmica.<\/p>\n\n\n\n

    El desarrollo de l\u00e1seres de alta potencia permiti\u00f3 a los cient\u00edficos estudiar la f\u00edsica de las interacciones ultraintensas l\u00e1ser-materia. La versi\u00f3n est\u00e1ndar del modelo de estudio, sin embargo, s\u00f3lo se ocupa de los pulsos de l\u00e1ser de conducci\u00f3n ultracortos y ultrafuertes desde un punto de vista cl\u00e1sico. La famosa teor\u00eda conocida como \u00abmodelo del hombre simple\u00bb o \u00abmodelo de las tres fases\u00bb \u2014que celebr\u00f3 su 25.\u00ba aniversario en el 2019\u2014 describ\u00eda elegantemente la interacci\u00f3n de un electr\u00f3n con su n\u00facleo padre en un entorno de campo l\u00e1ser fuerte, seg\u00fan los procesos cl\u00e1sicos y cu\u00e1nticos. No obstante, como estos pulsos de l\u00e1ser son altamente coherentes y contienen una enorme cantidad de fotones, la descripci\u00f3n de la interacci\u00f3n en el campo l\u00e1ser fuerte hasta ahora ha sido incompleta, porque el sistema at\u00f3mico se trata de una manera cu\u00e1ntica mientras que el campo electromagn\u00e9tico se trata de una manera cl\u00e1sica. <\/p>\n\n\n\n

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    El campo de los simuladores cu\u00e1nticos es una de las \u00e1reas m\u00e1s bonitas de la f\u00edsica contempor\u00e1nea, que mezcla todas las ramas y los g\u00e9neros de la f\u00edsica<\/p>\n<\/blockquote>\n<\/blockquote>\n<\/div>\n\n\n\n

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    Actualmente, en la descripci\u00f3n de los procesos m\u00e1s relevantes de la f\u00edsica de las interacciones ultraintensas l\u00e1ser-materia \u2014por ejemplo, generaci\u00f3n de altos arm\u00f3nicos, ionizaci\u00f3n por encima del umbral, difracci\u00f3n de electrones inducida por l\u00e1ser, ionizaci\u00f3n multielectr\u00f3nica secuencial y no secuencial, etc.\u2014 los efectos de fluctuaci\u00f3n cu\u00e1ntica del campo el\u00e9ctrico l\u00e1ser, para no hablar de los campos magn\u00e9ticos, son insignificantes.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n\n\n\n

    Sin embargo, la naturaleza cu\u00e1ntica de la totalidad de los campos electromagn\u00e9ticos siempre est\u00e1 presente en estos procesos, cosa que plantea la pregunta siguiente: \u00bfesta naturaleza cu\u00e1ntica se manifiesta? \u00bfY en qu\u00e9 situaciones aparece? En un estudio reciente llevado a cabo con el grupo FORTH de Paraskevas Tzallas se ha informado sobre la demostraci\u00f3n te\u00f3rica y experimental que las interacciones l\u00e1ser-\u00e1tomo intensas pueden dar lugar a la generaci\u00f3n masiva de estados de luz altamente no cl\u00e1sicos, uno de los Sants Greals de la simulaci\u00f3n cu\u00e1ntica contempor\u00e1nea (ver la figura 4). Estos resultados se han obtenido utilizando el proceso de generaci\u00f3n de altos arm\u00f3nicos en \u00e1tomos, en los que un gran n\u00famero de fotones de un pulso de l\u00e1ser de conducci\u00f3n de frecuencia infrarroja se convierten en fotones de frecuencias m\u00e1s altas en el rango espectral ultravioleta extremo. La teor\u00eda electrodin\u00e1mica cu\u00e1ntica formulada en este estudio predice que, si el estado inicial del l\u00e1ser conductor es coherente, se mantiene coherente, pero cambia en amplitud despu\u00e9s de las interacciones con el medio at\u00f3mico. De manera parecida, los estados cu\u00e1nticos de los modos arm\u00f3nicos se vuelven coherentes con amplitudes coherentes peque\u00f1as. Sin embargo, el estado cu\u00e1ntico del pulso de l\u00e1ser que impulsa la generaci\u00f3n de altos arm\u00f3nicos puede ser acondicionado para tener en cuenta esta interacci\u00f3n, y eso lo transforma en el llamado estado \u00f3ptico del gato de Schr\u00f6dinger. Este estado corresponde a una superposici\u00f3n cu\u00e1ntica de dos estados de luz coherentes diferentes: el estado inicial del l\u00e1ser y el estado coherente reducido en amplitud que resulta de la interacci\u00f3n con los \u00e1tomos.<\/p>\n\n\n\n

    Disfrutar de la f\u00edsica y m\u00e1s all\u00e1<\/h5>\n\n\n\n

    Acabamos este art\u00edculo destacando que el campo de los simuladores cu\u00e1nticos es, en todos los sentidos, una de las \u00e1reas m\u00e1s bonitas de la f\u00edsica contempor\u00e1nea, que mezcla todas las ramas y los g\u00e9neros de la f\u00edsica y no s\u00f3lo de la f\u00edsica. La conclusi\u00f3n que siempre repetimos es que hay que disfrutar de la f\u00edsica y m\u00e1s all\u00e1. Desde el ICFO nos gusta ir m\u00e1s all\u00e1 de la f\u00edsica para intentar interpretar los procesos de la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica, y m\u00e1s espec\u00edficamente la aleatoriedad cu\u00e1ntica en \u00e1mbitos como la m\u00fasica de vanguardia contempor\u00e1nea. Este proyecto se llama sonificaci\u00f3 de la f\u00edsica cu\u00e1ntica. Tambi\u00e9n intentamos incorporar procesos aleatorios cu\u00e1nticos utilizando los generadores de n\u00fameros aleatorios cu\u00e1nticos aut\u00e9nticos, que nos proporciona QUSIDE, empresa derivada del IFCO. Una de las consecuciones m\u00e1s destacadas de nuestra tarea fue el concierto de casi una hora de duraci\u00f3n, \u00abInterpreting Quantum Randomness\u00bb, presentado en el famoso festival S\u00d3NAR 2021, y el LP de vinilo y el \u00e1lbum digital disponibles en Bandcamp.<\/p>\n\n\n\n

    \n\n\n\n


    CR\u00c9DITOS<\/p>\n\n\n\n

    Este art\u00edculo es una versi\u00f3n corta y simplificada del cap\u00edtulo \u00abThe Coming Decades of Quantum Simulation\u00bb de los mismos autores, Joana Fraxanet, Tymoteusz Salamon y Maciej Lewenstein, en \u00abSketches of Physics\u00bb, Lecture Notes in Physics<\/em>, vol. 1.000, eds.: Roberta Citro, Maciej Lewenstein, Angel Rubio, Wolfgang P. Schleich, James D. Wells i Gary P. Zank.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

    Aunque los medios de comunicaci\u00f3n a menudo plantean la computaci\u00f3n cu\u00e1ntica en el marco de una revoluci\u00f3n, la computaci\u00f3n cu\u00e1ntica es, fundamentalmente, una extensi\u00f3n del esfuerzo humano persistente por acelerar la transferencia de informaci\u00f3n y aumentar la densidad. Este viaje empez\u00f3 con datos pictogr\u00e1ficos que civilizaciones antiguas grababan en las paredes de las cuevas, y despu\u00e9s evolucion\u00f3 hacia el uso del papel, que hac\u00eda posible transportar la informaci\u00f3n escrita por medio de palomas o de caballos. Por otra parte, la informaci\u00f3n pas\u00f3 de los pictogramas a los alfabetos, cosa que permiti\u00f3 una codificaci\u00f3n m\u00e1s densa de la informaci\u00f3n. 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