Un inusual efecto cuántico que detiene por completo una partícula ha sido recreado por científicos. El experimento se realizó con una computadora cuántica híbrida. Investigadores de la Universidad de Oxford observaron, al reproducir el efecto Aharonov-Bohm —que muestra que una partícula puede verse afectada por un campo magnético sin atravesarlo—, que la influencia magnética invisible detenía completamente la partícula simulada. El resultado se publicó en la revista Nature Physics. En el estudio se combinaron cúbits, las unidades básicas de la información cuántica, con osciladores cuánticos que representan el movimiento vibratorio, para examinar las interacciones materia-campo, cuya simulación con computadoras clásicas se vuelve cada vez más difícil.
El efecto fue predicho en 1959 por los físicos Yakir Aharonov y David Bohm. Una partícula cargada podía experimentar un cambio medible en su fase cuántica incluso pasando completamente por fuera de la región que contiene el flujo magnético. La fase en sí misma no se observa directamente. A pesar de ello, las diferencias de fase producen efectos medibles, y esta predicción fue confirmada posteriormente en experimentos realizados con electrones reales.
Esta vez, el foco fueron las teorías gauge reticulares. Los investigadores examinan el mismo fenómeno en estas teorías, que describen la interacción de la materia con los campos asociados a las fuerzas fundamentales. Aquí el espacio se representa como una retícula. La materia se ubica en los puntos, y los campos, en las conexiones entre esos puntos. Las matemáticas de estos modelos, importantes para la física de partículas y de altas energías, plantean dificultades incluso para las potentes computadoras clásicas a medida que los sistemas se vuelven más complejos. La simulación cuántica, en cambio, consiste en construir otro sistema cuántico que sigue las mismas reglas fundamentales para observar directamente su comportamiento.
El proyecto comenzó en 2022. El autor principal del estudio fue el Dr. Sebastian Saner, en colaboración con la Dra. Oana Bazavan y el Dr. Alejandro Bermudez, del Instituto de Física Teórica de Madrid. El experimento utilizó dos componentes. Los cúbits, codificados en los estados internos de átomos cargados confinados por campos electromagnéticos, representaron los campos gauge, mientras que los osciladores, formados por las vibraciones de los mismos iones, representaron la materia. Dos osciladores representaron la materia en dos posiciones y dos cúbits, los campos que unían esas posiciones, formando así un sencillo anillo.
El equipo codificó el flujo en los cúbits. Los dos cúbits se llevaron a un estado cuántico entrelazado que representaba el flujo magnético que atravesaba el centro del anillo. El plan inicial era diferente. Se había previsto añadir el flujo como una condición de fondo fija, pero el hardware empleado no permitía aplicar directamente este enfoque. Codificar el flujo en los cúbits ofreció una alternativa práctica y convirtió el flujo en parte del sistema en evolución. “Para nosotros, el paso emocionante fue codificar el flujo magnético en un campo gauge que es dinámico en sí mismo”, afirma el Dr. Saner.
La simulación puso a prueba el efecto túnel. Sin flujo magnético, la partícula podía atravesar libremente el anillo por efecto túnel. Al añadir el flujo, las fases relativas de los dos caminos posibles cambiaron, los caminos se anularon mutuamente por interferencia destructiva y el efecto túnel quedó completamente suprimido. La partícula quedó congelada en su estado inicial. Así, el efecto Aharonov-Bohm quedó demostrado en una teoría gauge en retícula que incluye un campo dinámico.
Los hallazgos se publicaron conjuntamente. Un equipo de la Universidad de Maryland, dirigido por el profesor Norbert Linke, también realizó un estudio relacionado que simulaba el potencial de Yukawa. Los dos grupos desarrollaron sus métodos de forma independiente. Sin embargo, presentaron sus artículos a Nature Physics de forma coordinada.
Por qué es importante
Este experimento demuestra con un ejemplo concreto que los ordenadores cuánticos pueden aplicarse a problemas de física en los que las máquinas clásicas tienen dificultades. Dado que las teorías gauge en retícula, que constituyen los modelos fundamentales de la física de partículas y de altas energías, superan incluso a los ordenadores clásicos más potentes a medida que el sistema se vuelve más complejo, el simulador híbrido ofrece una vía alternativa a este cuello de botella. El hecho de que el diseño que combina cúbits y osciladores en el mismo hardware surgiera, además, de una limitación de hardware no planificada indica que es posible representar sistemas más complejos con recursos limitados. La publicación simultánea en la misma revista de los trabajos desarrollados por dos equipos independientes con métodos diferentes respalda que el hallazgo no es exclusivo de un solo laboratorio. La cuestión que queda abierta es si este enfoque puede trasladarse a sistemas físicos de mayor escala y más realistas.