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Observadas nuevas fases topológicas térmicas de la materia cuántica

El descubrimiento abre la puerta al desarrollo de tecnologías cuánticas resistentes a la temperatura

Investigadores de la Universidad Complutense, IBM, ETH Zurich, MIT y de la Universidad de Harvard han realizado la primera simulación cuántica de fases topológicas de la materia con temperatura. Este resultado supone un rayo de luz para el desarrollo de tecnologías cuánticas protegidas frente a fluctuaciones térmicas, tales como computadores o memorias cuánticas.

Investigadores de la Universidad Complutense de Madrid, IBM, ETH Zurich, MIT, y de la Universidad de Harvard, han observado por primera vez en un laboratorio fases topológicas de la materia asociadas a estados cuánticos sometidos a la acción de la temperatura o presentando cierto tipo de imperfecciones. El experimento se ha realizado en una plataforma de cúbits superconductores de IBM, también denominada simulador cuántico.

Los simuladores cuánticos fueron conjeturados por primera vez por el premio Nobel de física Richard Feynman en 1982, ante el problema que sufrían los ordenadores clásicos que manejamos en la actualidad para simular sistemas de partículas cuánticas interactuantes.

Estos simuladores son sistemas genuinamente cuánticos sobre los que se tiene un control exquisito (por ejemplo, átomos fríos atrapados con láser, o materiales superconductores acoplados a radiación de microondas) y que replican otros sistemas cuánticos que son más difíciles de manipular y de los cuales se desconocen algunas de sus propiedades.

Simulador cuántico con cúbits

En un artículo publicado la revista Quantum Information del Nature Publishing Group, estos investigadores explican cómo utilizando un simulador cuántico con cúbits superconductores de IBM, fueron capaces de mimetizar unos materiales denominados aislantes topológicos a temperatura finita y medir por primera vez sus fases topológicas cuánticas asociadas.

Las fases topológicas de la materia son un área de investigación muy activa que está revolucionando nuestra comprensión de la naturaleza. Los estudios de estas nuevas fases de la materia han dado lugar a nuevos materiales como los aislantes topológicos.

Estos materiales se comportan como aislantes en el interior y como un metal en los bordes. Las corrientes electrónicas de los bordes tienen el espín (momento magnético intrínseco) polarizado y por ello se espera tengan una aplicación directa en tecnologías como la espintrónica, una novedosa alternativa a la electrónica convencional.

Fases Topológicas Térmicas

Desde el descubrimiento de la materia topológica, se han buscado formas de mantener sus propiedades al aumentar la temperatura. Anteriores trabajos teóricos de los investigadores de la Universidad Complutense proponían una nueva fase cuántica topológica, conocida como fase de Uhlmann, para caracterizar estas fases de la materia en un sistema térmico. La fase de Uhlmann permite generalizar las fases topológicas de la materia a sistemas con temperatura.

Los hallazgos encontrados en este experimento con simuladores cuánticos representan la primera medida de fases cuánticas topológicas con temperatura y supone un gran avance para el control y síntesis de materia topológica con tecnologías cuánticas.

Entre otras aplicaciones, la materia cuántica topológica ha sido propuesta como “hardware” para los futuros ordenadores cuánticos debido a su robustez frente a errores. Los resultados experimentales encontrados en este trabajo muestran como dichas fases cuánticas pueden ser también resistentes frente a efectos térmicos.

Referencia
Observation of topological Uhlmann phases with superconducting qubits. O. Viyuela, A. Rivas, S. Gasparinetti, A. Wallraff, S. Filipp, M.A. Martin-Delgado, NPJ Quantum Information, Volume 4, Article number: 10 (2018). DOI:10.1038/s41534-017-0056-9

 

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