Físicos descubren la velocidad cuántica límite, de interés en computación cuántica

La velocidad de la luz es el límite de velocidad cósmica, de acuerdo con los experimentos físicos. No hay información que se pueda  llevar a una tasa mayor, no importa qué método se utilice. Sin embargo, un límite de velocidad similar parece existir dentro de los materiales, donde las interacciones entre partículas son por lo general de muy corto alcance y el movimiento es mucho menor que la velocidad de la luz. Un nuevo conjunto de experimentos y simulaciones por Marc Cheneau y sus colegas han identificado esta velocidad máxima, que tiene implicaciones para el entrelazamiento cuántico y los cálculos cuánticos.

En los sistemas no relativistas, donde las velocidades de las partículas es mucho menor que la velocidad de la luz, las interacciones todavía ocurren muy rápidamente, y  a menudo implican gran cantidad de partículas. Como resultado, la medición de la velocidad de las interacciones dentro de los materiales ha sido difícil. El límite de velocidad teórica es fijado por el límite de Lieb-Robinson, que describe cómo un cambio en una parte de un sistema se propaga a través del resto del material. En este nuevo estudio, el límite Lieb-Robinson se cuantificó experimentalmente por primera vez, con un verdadero gas cuántico.

Dentro de una red (como un sólido cristalino), una partícula interactúa principalmente con sus vecinas más cercanas. Por ejemplo, el espín de un electrón en un material magnéticamente sensible depende principalmente de la orientación de los espines de sus vecinos a cada lado. Voltear el espín de un electrón afectará a los electrones más cercanos a él.

Pero el efecto también se propaga a través del resto del material – otros espines se pueden voltear, o experimentar un cambio en la energía provocado por el comportamiento del electrón original. Estas interacciones de largo alcance pueden ser impulsadas por efectos externos, como vibraciones de la red. Pero es posible que  en los sistemas fríos, las vibraciones de la red mueren cerca del cero absoluto.

En el experimento descrito en la revista Nature, los investigadores comienzan con un simple gas cuántico unidimensional compuesto de átomos en una red óptica. Este tipo de trampa está hecha por el cruce de rayos láser para que interfieran y creen un patrón de onda, mediante el ajuste de la potencia de los láseres, la trampa se puede hacer más o menos profunda. Las redes ópticas son mucho más simples que las redes cristalinas,  los átomos no están involucrados en los enlaces químicos.

Por el rápido aumento de la profundidad de la red óptica, los investigadores crearon lo que se conoce como el sistema se apaga. Usted puede pensar en esto como algo análogo a sumergir un trozo de metal forjado en caliente en el agua para que se enfríe rápidamente. Antes del cambio, los átomos están en equilibrio, después del cambio, están muy excitados.

Como en muchos otros sistemas de interacción fuerte, estas excitaciones toman la forma de cuasi-partículas que pueden viajar a través de la red. Las cuasipartículas vecinas comienzan con sus estados cuánticos entrelazados, pero rápidamente se propagan en direcciones opuestas por la red. Al igual que en todos los sistemas entrelazados, los estados de las cuasi-partículas permanecen correlacionadas incluso cuando la distancia entre ellas crece. Al medir la distancia entre las excitaciones como una función del tiempo, la velocidad real de propagación de la cuasi-partículas “se pueden medir. El valor de la medida, es más del doble de la velocidad del sonido en el sistema.

Los puntos específicos de a red utilizados en el experimento  hacen que sea difícil hacer comparaciones directas con la teoría, por lo que los investigadores sólo pueden utilizar una serie de principios del primer modelo numérico (en comparación con un cálculo teórico detallado). Por decirlo de otra manera, la velocidad que se mide en la actualidad no se puede derivar directamente de la física cuántica fundamental.

Es difícil generalizar estos resultados. Los sistemas con otras propiedades físicas tendrán distintas velocidades máximas, al igual que la luz se mueve a diferentes velocidades según el medio, los investigadores encontraron que las cosas cambiaron, incluso dentro de una simple Los puntos fuertes específicos de red utilizados en el experimento de hacer que sea difícil hacer comparaciones directas con la teoría, por lo que los investigadores sólo pueden utilizar una serie de principios del primer modelo numérico (en comparación con un cálculo teórico detallado). Por decirlo de otra manera, la velocidad se mide en la actualidad no se puede derivar directamente de la física cuántica fundamental.

Es difícil generalizar estos resultados también. Los sistemas con otras propiedades físicas tendrá distintas velocidades máximas, al igual que la luz se mueve a diferentes velocidades según el medio, los investigadores encontraron que las cosas cambiaron, incluso dentro de un simple  Los puntos fuertes específicos de red utilizados en el experimento de hacer que sea difícil hacer comparaciones directas con la teoría, por lo que los investigadores sólo pueden utilizar una serie de principios del primer modelo numérico (en comparación con un cálculo teórico detallado). Por decirlo de otra manera, la velocidad se mide en la actualidad no se puede derivar directamente de la física cuántica fundamental.

Es difícil generalizar estos resultados también. Los sistemas con otras propiedades físicas tendrá distintas velocidades máximas, al igual que la luz se mueve a diferentes velocidades según el medio, los investigadores encontraron que las cosas cambiaron, incluso dentro de un simple red unidimensional cada vez que varía la fuerza de interacción entre los átomos.

Sin embargo, muestra que las excitaciones deben tener una velocidad máxima constante, que es un resultado innovador. Al igual que con la relatividad, este límite de velocidad crea una especie de “cono de luz” que separa las regiones donde las interacciones pueden ocurrir y donde están prohibidas. Esto tiene profundas implicaciones para el estudio del entrelazamiento cuántico, y por lo tanto la mayoría de las formas de la computación cuántica.

Fuente: “Light-cone-like spreading of correlations in a quantum many-body system.” By Marc Cheneau, Peter Barmettler, Dario Poletti, Manuel Endres, Peter Schauß, Takeshi Fukuhara, Christian Gross, Immanuel Bloch, Corinna Kollath and Stefan Kuhr. Nature, Vol. 481, Pgs. 484–487. Published online Jan. 25, 2012. DOI: 10.1038/nature10748.

Imágen:  HERALDO