Los investigadores pudieron observar por primera vez los curiosos efectos de trenzar a cualquier persona no abeliana. Crédito: IA cuántica de Google
Google Quantum AI observó a cualquier persona que no fuera abeliana por primera vez, un avance que podría revolucionar la computación cuántica, haciéndola más resistente al ruido y conduciendo a la computación cuántica topológica.
Nuestra intuición nos dice que debería ser imposible ver si dos objetos idénticos se intercambiaron de un lado a otro, y para todas las partículas observadas hasta la fecha, este ha sido el caso. Hasta ahora.
Los anyones no abelianos, las únicas partículas que se predijo que romperían esta regla, fueron buscados por sus características fascinantes y su potencial para revolucionar la computación cuántica al hacer que las operaciones sean más resistentes al ruido. Microsoft y otros han elegido este enfoque para su esfuerzo de computación cuántica. Pero después de décadas de esfuerzos de los investigadores en el campo, observar a los no abelianos y su extraño comportamiento ha demostrado ser un desafío, por decir lo menos.
«Observar el comportamiento extraño de cualquier persona no abeliana por primera vez realmente resalta el tipo de fenómenos emocionantes a los que ahora podemos acceder con las computadoras cuánticas». — Trond I. Andersen, IA cuántica de Google
En un artículo publicado en la revista Nature el 11 de mayo, los investigadores de Google Quantum AI anunciaron que han utilizado uno de sus procesadores cuánticos superconductores para observar el comportamiento peculiar de cualquier persona no abeliana por primera vez. También demostraron cómo este fenómeno podría usarse para realizar cálculos cuánticos. A principios de esta semana, la empresa de computación cuántica Quantinuum publicó otro estudio sobre el tema, que complementa el descubrimiento inicial de Google. Estos nuevos resultados abren un nuevo camino para la computación cuántica topológica, en la que las operaciones se logran enrollando anyones no abelianos entre sí como cuerdas en una trenza.
El miembro del equipo de Google Quantum AI y primer autor del manuscrito, Trond I. Andersen, dice: «Observar el extraño comportamiento de cualquier persona no abeliana por primera vez realmente resalta el tipo de fenómeno emocionante al que ahora podemos acceder con las computadoras cuánticas».
Imagina que te muestran dos objetos idénticos y te piden que cierres los ojos. Ábrelos de nuevo y verás los mismos dos objetos. ¿Cómo se puede determinar si se han cambiado? La intuición dice que si los objetos son realmente idénticos, no hay forma de saberlo.
La mecánica cuántica respalda esta intuición, pero solo en nuestro familiar mundo tridimensional. Si los objetos idénticos se limitan a moverse en un plano bidimensional, a veces nuestra intuición puede fallar y la mecánica cuántica permite algo extraño: cualquier no abeliano conserva una especie de memoria: es posible saber cuándo se intercambiaron dos de ellos, a pesar de siendo completamente idéntico.
Esta “memoria” de anyons no abelianos puede pensarse como una línea continua en el espacio-tiempo: la llamada “línea del mundo” de la partícula. Cuando se intercambian dos anyons no abelianos, sus líneas de tiempo se envuelven entre sí. Envuélvalos a la perfección, y los nudos y trenzas resultantes forman las operaciones básicas de una computadora cuántica topológica.
El equipo comenzó preparando sus qubits superconductores en un estado cuántico entrelazado que está bien representado como un tablero de ajedrez, una configuración familiar para el equipo de Google, que recientemente demostró un hito en la corrección de errores cuánticos utilizando esta configuración. En la disposición del tablero de ajedrez, pueden surgir partículas relacionadas, pero menos útiles, llamadas aniones abelianos.
Para percibir los no abelianos, los investigadores estiraron y comprimieron el estado cuántico de sus qubits para transformar el patrón de tablero de ajedrez en polígonos de formas extrañas. Los vértices particulares de estos polígonos albergaban los anyons no abelianos. Usando un protocolo desarrollado por Eun-Ah Kim en la Universidad de Cornell y el ex becario postdoctoral Yuri Lensky, el equipo pudo mover los anyons no abelianos al continuar deformando la red y cambiando las ubicaciones de los vértices no abelianos.
En una serie de experimentos, los investigadores de Google observaron el comportamiento de estos anyons no abelianos y cómo interactuaban con los anyons abelianos más mundanos. El tejido de los dos tipos de partículas entre sí produjo fenómenos extraños: las partículas desaparecieron misteriosamente, reaparecieron y cambiaron de forma de un tipo a otro a medida que se enrollaban y chocaban. Lo que es más importante, el equipo observó el sello distintivo de los anyons no abelianos: cuando se intercambiaron dos de ellos, provocó un cambio medible en el estado cuántico de su sistema, un fenómeno sorprendente que nunca antes se había observado.
Finalmente, el equipo demostró cómo se puede usar el trenzado de anyons no abelianos en cálculos cuánticos. Al trenzar varios anyons no abelianos, pudieron crear un estado cuántico entrelazado conocido llamado estado de Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ).
La física de partículas no abeliana también está en el centro del enfoque que Microsoft ha elegido para su esfuerzo de computación cuántica. Mientras intentan diseñar sistemas de materiales que los alberguen intrínsecamente, el equipo de Google ahora ha demostrado que se puede realizar el mismo tipo de física en sus procesadores superconductores.
La semana pasada, la empresa de computación cuántica Quantinuum publicó un sorprendente estudio complementario que también demostró trenzas no abelianas, en este caso utilizando un procesador cuántico de iones atrapados. Andersen está emocionado de ver que otros grupos de computación cuántica también buscan trenzas no abelianas. Él dice: «Será muy interesante ver cómo se emplean los no abelianos en la computación cuántica en el futuro y si su comportamiento peculiar podría ser la clave para la computación cuántica topológica tolerante a fallas».
Referencia: «Recorrido no abeliano de vértices de gráficos en un procesador superconductor» por Google Quantum AI y colaboradores, 11 de mayo de 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-05954-4
