Dos semanas para lo imposible: los físicos resuelven un rompecabezas cuántico insoluble

Físicos del Instituto Flatiron han desafiado la creencia generalizada sobre las ventajas de las computadoras cuánticas. Un equipo de investigadores del Centro de Física Cuántica Computacional (CCQ) no solo superó a una computadora cuántica en la resolución de una tarea específica, sino que también explicó cómo lograron hacerlo.
Joseph Tindall, científico principal en el CCQ, resolvió la tarea en tan solo dos semanas, a pesar de que los especialistas de IBM creían que sería imposible resolverla usando un sistema clásico. La tarea resultó ser tan sencilla que incluso un teléfono inteligente podría haberla resuelto.

Todo comenzó con una publicación de IBM en la revista Nature en junio de 2023. Los investigadores de la compañía diseñaron un experimento con un sistema de imanes invertidos y afirmaron que las computadoras clásicas no podrían simularlo. Tindall leyó sobre esto en la prensa y decidió poner a prueba la afirmación. Utilizó métodos que su equipo había desarrollado durante varios años. En lugar de técnicas revolucionarias, los científicos simplemente combinaron enfoques existentes, creando una solución sencilla y eficaz, algo que en IBM aparentemente no consideraron.

Después de publicar sus resultados en PRX Quantum en enero de 2024, Tindall, junto a su colega Dries Sels de la Universidad de Nueva York, profundizó en el estudio de las razones detrás de la simplicidad de la solución. Fue entonces cuando descubrieron el fenómeno del "confinamiento", un comportamiento particular de la computadora cuántica que anteriormente solo se había observado en sistemas unidimensionales.

A escala cuántica, un imán puede apuntar hacia arriba o hacia abajo y también puede estar en un estado de superposición, apuntando en ambas direcciones al mismo tiempo. La energía que el imán posee en un campo magnético depende de su posición.

Al inicio del experimento, todos los imanes se orientaron en una sola dirección. Bajo la influencia de un campo débil, algunos imanes comenzaron a invertirse. Cada elemento influía en sus vecinos, creando el potencial para el entrelazamiento cuántico.

Los investigadores examinaron en detalle cómo se propagaba la influencia entre los imanes. Descubrieron que el proceso no ocurría de manera caótica, sino que seguía patrones específicos.

Normalmente, el crecimiento del entrelazamiento hace que un sistema sea demasiado complejo para que una computadora clásica lo gestione. Pero los científicos demostraron que, en un sistema cerrado, la energía solo alcanza para invertir pequeños grupos dispersos de imanes.

Este es el confinamiento, y surgió debido a la configuración bidimensional. Los imanes no se desordenaban, sino que simplemente oscilaban alrededor de su posición original, incluso al observarlos durante mucho tiempo. Tindall y Sels comprendieron que el sistema podía resolverse mediante métodos clásicos, precisamente porque el entrelazamiento estaba limitado.

El fenómeno de confinamiento podría manifestarse también en otros sistemas cuánticos bidimensionales. Los códigos creados por los investigadores se convertirán en un estándar para los experimentadores que desarrollan nuevas simulaciones. La comunidad científica ya discute cómo aplicar estos resultados en otras áreas de la física cuántica.