Analizan en un estudio la interacción de los sistemas cuánticos con el ambiente

Un trabajo publicado en Scientific Reports, del grupo Nature, amplía la visión sobre el control de los bits cuánticos

Por José Tadeu Arantes

Agência FAPESP – Cuando se estudian los sistemas cuánticos abiertos, deberían considerarse dos componentes: el sistema físico propiamente dicho y el ambiente. Sin embargo, en casi la totalidad de los estudios, el medio no se tiene en cuenta debido a la falta de información referente al mismo. Se consideran únicamente las dinámicas intrínsecas del sistema, tales como el enmarañamiento y las correlaciones entre sus partes.

Un artículo publicado en diciembre en Scientific Reports, una revista del grupo Nature, muestra que, aun sin tener acceso a información sobre el ambiente, es posible inferir de qué manera el sistema y sus partes se enmarañan con él.

El texto intitulado Extracting information from qubit-environment correlations está firmado por John Reina y Cristian Susa (ambos de la Universidad del Valle y del Centre for Bioinformatics and Photonics, de Cali, Colombia) y por Felipe Fanchini (del Departamento de Física de la Facultad de Ciencias de la Universidade Estadual Paulista, con sede en la localidad de Bauru, São Paulo, Brasil).

El artículo es producto del trabajo intitulado Estudio de las correlaciones cuánticas en sistemas cuánticos abiertos, que cuenta con el apoyo de la FAPESP a través de una Ayuda a la Investigación.

“Procuramos enfatizar que el medio puede suministrar información importante para la comprensión de la dinámica disipativa del sistema”, le dijo Fanchini a Agência FAPESP.

En el artículo se considera una situación constituida por dos átomos acoplados a un láser de control. Los átomos son los qubits del sistema y están sujetos a las perturbaciones externas provenientes del ambiente.

“Nuestro objetivo consistió en entender de qué modo esos átomos sufren la interferencia del medio y pierden sus correlaciones cuánticas. Hicimos eso no sólo observando el sistema constituido por ambos átomos, sino también para los enmarañamientos y las correlaciones cuánticas entre ese sistema y el medio”, explicó el investigador.

A tal fin, los autores recurrieron a una herramienta matemática ya conocida: las relaciones monogámicas postuladas por Masato Koashi, de la University of Bristol (del Reino Unido) y de la Graduate University for Advanced Studies (de Japón), y Andreas Winter, de la University of Bristol (del Reino Unido), en la Physical Review A en 2004, en el artículo intitulado Monogamy of quantum entanglement and other correlations.

“Se creía que el enmarañamiento entre ambos átomos disminuía porque estaban enmarañándose también con el medio ambiente. Pero lo que pusimos de relieve fue que la relación no es tan proporcional como se pensaba”, afirmó Fanchini.

“En ocasiones, los átomos pierden el enmarañamiento entre ellos, pero se enmarañan de modo más lento con el medio ambiente, pues parte de lo que se pierde puede estar transformándose en otras correlaciones que configuran la discordia cuántica”, comentó.

El artículo de Fanchini y sus colegas apuntó a demostrar que el proceso disipativo puede ser más complejo de lo que se suponía, y que se requerirían por ello nuevos estudios para su comprensión. El objetivo es llegar a una teoría del control de los sistemas cuánticos con relación al medio que responda al desafío de blindar a esos sistemas e impedir así que pierdan información.

Una aplicación obvia de dicho blindaje consiste en superar el gran obstáculo de la computación cuántica: el efecto del medio sobre el sistema, que hace que sus componentes pierdan correlaciones cuánticas y pasen a comportarse de acuerdo con la física clásica.

Otra aplicación posible se concretaría en la simulación cuántica, en situaciones tales como, por ejemplo, la de entender el comportamiento de una molécula a la cual no se tiene acceso, al crearse otro sistema cuántico capaz de mimetizarla.

“¿Por qué no logramos simular moléculas grandes o tener una computación cuántica efectiva? Esto sucede porque no logramos bloquear los efectos del reservorio [el medio] sobre el sistema. Por eso es necesario entender cómo actúa ese ambiente. Cuanto más sepamos al respecto, más capaces seremos de proteger a los sistemas cuánticos de la influencia ambiental”, argumentó Fanchini.

“Nuestro trabajo no indica cómo protegerlos, pero apunta una nueva frontera para entender los procesos disipativos: no se enfoca únicamente en el sistema sino también en la interacción entre el sistema y el medio”, prosiguió.

La computación cuántica

Fanchini es optimista con relación a las perspectivas de la computación cuántica. “Hasta 2002, yo creía que la computación cuántica era totalmente posible. En 2005 empecé a pensar que sería improbable. Actualmente he vuelto atrás: creo que estamos casi llegando a ella”, dijo.

“Hay grupos experimentales que están desarrollando nuevas tecnologías sumamente eficientes en semiconductores. Estamos controlando el sistema físico, protegiendo, accediendo y leyendo la información cuántica. Lo que nos falta es juntar todo eso. A juzgar por los logros alcanzados en 2014, puede ser que en una década más tengamos una computadora cuántica”, dijo.

Según el investigador, dicha posibilidad surge por el hecho de que la computadora cuántica no necesita ser un 100% exacta. “Hace cerca 15 años se demostró que no es necesario lograr una fidelidad del 100%. Existe un umbral de fidelidad a partir del cual es posible concatenar métodos de protección y fabricar una computadora cuántica eficiente.”

Asimismo, Fanchini argumenta que el reemplazo de los ordenadores clásicos por los cuánticos no es algo que tenga que concretarse en todas las tareas.

“Inicialmente, ese reemplazo se llevará a cabo únicamente con relación a algunas tareas, no a todas. Hay gente estudiando eso. Existen propuestas con relación a la producción de energía, con la creación de células voltaicas más eficientes. Y también está la posibilidad de los nuevos algoritmos de búsqueda. Serán aplicaciones puntuales”, dijo.

De acuerdo con Fanchini, la simulación cuántica es más prometedora aún que la computación cuántica, en la evolución de una química que aporte la posibilidad de intervenir en el mundo material átomo por átomo, molécula por molécula, por ejemplo.