En 1973, el físico Philip W. Anderson teorizó la existencia de un nuevo estado de la materia que ha sido un foco importante en el campo, especialmente en la carrera por las computadoras cuánticas súper rápidas.

Se llama líquido de espín cuántico y, contrariamente al nombre, no tiene nada que ver con los líquidos cotidianos como el agua.

En cambio, se trata de imanes que nunca se congelan y de la forma en que giran los electrones en ellos.

En los imanes regulares, cuando la temperatura desciende por debajo de cierta temperatura, los electrones se estabilizan y forman una pieza sólida de materia con propiedades magnéticas.

En el líquido de espín cuántico, los electrones no se estabilizan cuando se enfrían, no se forman en un sólido y cambian y fluctúan constantemente (como un líquido) en uno de los estados cuánticos más entrelazados jamás concebidos.

Las propiedades especiales de los líquidos de espín cuántico permiten aplicaciones prometedoras que se pueden utilizar para hacer avanzar las tecnologías cuánticas, como los superconductores de alta temperatura y las computadoras cuánticas.

Pero había un obstáculo importante: nadie había visto o verificado nunca la existencia del estado líquido de espín cuántico. Hasta ahora.

Un equipo de físicos dirigido por Harvard dijo que finalmente han documentado experimentalmente este estado exótico y tan buscado de la materia.

El trabajo marca un gran paso hacia la posibilidad de producir este estado elusivo bajo demanda y obtener una comprensión novedosa de su naturaleza misteriosa.

“Es un momento muy especial en el campo”, dijo Mikhail Lukin, profesor de física George Vasmer Leverett, codirector de la Iniciativa Cuántica de Harvard y uno de los autores principales del estudio.

“Realmente puedes tocar, pinchar y pinchar este exótico estado y manipularlo para comprender sus propiedades. … Es un nuevo estado de la materia que la gente nunca ha podido observar “.

Las propiedades exóticas de los líquidos de espín cuántico podrían ser la clave para crear bits cuánticos más robustos, conocidos como qubits topológicos, que se espera que sean resistentes al ruido y la interferencia externa.

“Ese es un sueño en computación cuántica”, dijo Giulia Semeghini, becaria postdoctoral en el Centro de Óptica Cuántica Harvard-Max Planck y autora principal del estudio.

“Aprender a crear y utilizar esos qubits topológicos representaría un paso importante hacia la realización de computadores cuánticos fiables“.

Los investigadores se propusieron observar este estado líquido de la materia utilizando el simulador cuántico programable que el laboratorio desarrolló en 2017.

El simulador es una especie de computadora cuántica que permite a los investigadores crear formas programables como cuadrados, panales o celosías triangulares para diseñar diferentes interacciones y entrelazamientos entre átomos ultrafríos.

Se utiliza para estudiar una gran cantidad de procesos cuánticos complejos.

La idea de utilizar el simulador cuántico es poder reproducir la misma física microscópica que se encuentra en los sistemas de materia condensada, especialmente con la libertad que permite la programabilidad del sistema.

“Puedes separar los átomos tanto como quieras; puede cambiar la frecuencia de la luz láser; realmente se pueden cambiar los parámetros de la naturaleza de una manera que no se podría cambiar en el material en el que se estudiaron antes estas cosas ”, dijo el coautor del estudio Subir Sachdev, profesor de física Herchel Smith y actual profesor visitante distinguido de Maureen y John Hendricks en el Instituto de Estudios Avanzados.

“Aquí, puedes mirar cada átomo y ver lo que está haciendo”.

En los imanes convencionales, los giros de los electrones apuntan hacia arriba o hacia abajo siguiendo un patrón regular.

En el imán del refrigerador de todos los días, por ejemplo, todos los giros apuntan en la misma dirección.

Esto sucede porque los giros generalmente funcionan en un patrón de casillas de verificación y pueden emparejarse para que apunten en la misma dirección o alternando, manteniendo un cierto orden.

Los líquidos de espín cuántico no muestran nada de ese orden magnético.

Esto sucede porque, esencialmente, se agrega un tercer giro, convirtiendo el patrón de casilla de verificación en un patrón triangular.

Mientras que un par siempre puede estabilizarse en una dirección u otra, en un triángulo, el tercer espín siempre será el electrón impar.

Esto lo convierte en un imán “frustrado” en el que el electrón gira no puede estabilizarse en una sola dirección.

“Esencialmente, están en diferentes configuraciones al mismo tiempo con cierta probabilidad”, dijo Semeghini.

“Esta es la base de la superposición cuántica“.

Los científicos de Harvard utilizaron el simulador para crear su propio patrón de celosía frustrado, colocando los átomos allí para interactuar y entrelazar.

Luego pudieron medir y analizar las cuerdas que conectan los átomos después de que toda la estructura se entrelazó.

La presencia y el análisis de esas cadenas, que se denominan cadenas topológicas, significaron que estaban ocurriendo correlaciones cuánticas y que había surgido el estado líquido de espín cuántico de la materia.

El trabajo se basa en predicciones teóricas anteriores de Sachdev y su estudiante graduado Rhine Samajdar, y en una propuesta específica de Ashvin Vishwanath, profesor de física de Harvard, y Ruben Verresen, becario postdoctoral de HQI.

“Fue un momento hermoso cuando se tomó la instantánea de los átomos y la configuración del dímero anticipada nos miró a la cara”, dijo Verresen.

“Es seguro decir que no esperábamos que nuestra propuesta se hiciera realidad en cuestión de meses”.

Después de confirmar la presencia de líquidos de espín cuántico, los investigadores recurrieron a la posibilidad de aplicar este estado de la materia para crear qubits robustos.

Realizaron una prueba de concepto que mostró que algún día podría ser posible crear estos bits cuánticos colocando los líquidos de espín cuántico en una matriz geométrica especial utilizando el simulador.

Los investigadores planean continuar trabajando con el simulador para investigar exactamente cómo se pueden usar los líquidos de espín cuántico para crear qubits robustos.

Los qubits son los bloques de construcción fundamentales sobre los que funcionan las computadoras cuánticas y la fuente de su poder de procesamiento masivo.

“Mostramos los primeros pasos sobre cómo crear este qubit topológico, pero aún tenemos que demostrar cómo se puede codificar y manipular“, dijo Semeghini.

“Ahora hay mucho más por explorar“.

Fuente: The Harvard Gazette

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