El chip de computación cuántica Helios-1
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Los investigadores de la empresa de computación cuántica Quantinuum utilizaron una nueva computadora cuántica Helios-1 para simular un modelo matemático que se ha utilizado durante mucho tiempo para estudiar la superconductividad. Estas simulaciones no están fuera del alcance de las computadoras convencionales, pero este avance sienta las bases para que las computadoras cuánticas se conviertan en herramientas útiles para la ciencia de materiales.
Los superconductores conducen la electricidad con perfecta eficiencia, pero actualmente sólo funcionan a temperaturas demasiado bajas para ser prácticos. Durante décadas, los físicos han estado tratando de entender cómo modificar su estructura para que funcionen a temperatura ambiente, y muchos creen que las respuestas vendrán de un marco matemático llamado modelo de Fermi-Hubbard. Este potencial lo convierte en uno de los modelos más importantes de toda la física de la materia condensada, afirma Henrik Dreyer de Quantinuum.
Las computadoras convencionales pueden ejecutar simulaciones excepcionales del modelo de Fermi-Hubbard, pero tienen dificultades con muestras muy grandes o casos en los que los materiales que describe cambian con el tiempo. Las computadoras cuánticas tienen la oportunidad de funcionar mejor con el tiempo. Ahora, Dreyer y sus colegas han realizado la simulación más grande hasta el momento del modelo de Fermi-Hubbard en una computadora cuántica.
Utilizaron Helios-1, que tiene 98 qubits fabricados a partir de iones de bario, cada uno de los cuales está controlado con láseres y campos electromagnéticos. Para ejecutar una simulación, los investigadores manipularon los qubits a través de una secuencia de estados cuánticos y luego leyeron el resultado midiendo sus propiedades. Sus simulaciones incluyeron 36 partículas llamadas fermiones, que son exactamente el tipo de partículas que existen en los superconductores reales y se describen matemáticamente mediante el modelo de Fermi-Hubbard.
Para que un superconductor funcione, los fermiones deben emparejarse, y los experimentos han descubierto que ese emparejamiento a veces puede iniciarse golpeando un material con un láser. El equipo de Quantinuum simuló este escenario: golpearon sus qubits con un pulso láser, luego midieron los estados resultantes y encontraron signos del emparejamiento de las partículas simuladas. La simulación no replicó exactamente los experimentos, pero capturó un proceso dinámico, que es difícil para los métodos informáticos convencionales cuando se aplica a más de unas pocas partículas.
Dreyer dice que el nuevo experimento no es una prueba rigurosa de que Helios-1 tenga una ventaja sobre todos los enfoques informáticos tradicionales posibles, pero la exploración de métodos de simulación clásicos convenció a su equipo de que una computadora cuántica podría competir. “Para los métodos que probamos, era imposible obtener de manera confiable los mismos resultados, estábamos viendo un par de horas en una computadora cuántica y un gran signo de interrogación en el lado clásico de las cosas”, dice. En otras palabras, las estimaciones del equipo de los tiempos de cálculo clásicos eran mucho más largas que era difícil decir cuándo serían comparables al trabajo de Helios.
Los iones atrapados sirven como qubits en el chip Helios-1
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Otras computadoras cuánticas aún no han abordado simulaciones del emparejamiento de fermiones para lograr superconductividad, y el equipo atribuye su éxito al hardware de Helios. David Hayes, también de Quantinuum, afirma que los qubits de Helios son excepcionalmente fiables y destacan en tareas de evaluación comparativa comunes en toda la industria de la computación cuántica. En pruebas preliminares, también podría sustentar experimentos con qubits a prueba de errores, incluida la conexión de 94 de estos qubits especiales mediante entrelazamiento cuántico, que es un récord en todas las computadoras cuánticas. El uso de estos qubits en futuras simulaciones podría hacerlos más precisos.
Eduardo Ibarra García Padilla, del Harvey Mudd College de California, dice que los nuevos resultados son prometedores, pero que aún es necesario compararlos cuidadosamente con simulaciones informáticas clásicas de última generación. Dice que el modelo de Fermi-Hubbard ha sido de gran interés para los físicos desde la década de 1960, por lo que es apasionante tener una nueva herramienta para estudiarlo.
Precisamente cuándo enfoques como los utilizados con Helios-1 se convertirán en verdaderos competidores de las mejores computadoras convencionales es una incógnita, porque aún quedan muchos detalles por resolver, dice Steve White de la Universidad de California, Irvine. Por ejemplo, dice que existen desafíos para garantizar que la simulación por computadora cuántica comience con el conjunto correcto de propiedades del qubit. Sin embargo, White dice que las simulaciones cuánticas podrían llegar a ser complementarias a las clásicas, especialmente para el comportamiento dinámico o cambiante de los materiales.
“Están en camino de convertirse en herramientas útiles de simulación en materia condensada. [physics]”, dice. “Pero todavía están en las primeras etapas, aún quedan barreras computacionales por llegar”.
Referencia: arXiv, DOI: 10.48550/arXiv.2511.02125
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