El entrelazamiento cuántico, un fenómeno en el que las partículas están misteriosamente conectadas sin importar cuán separadas estén, presenta un desafío de larga data en el mundo físico, particularmente en la comprensión de su comportamiento dentro de sistemas cuánticos complejos.
Un equipo de investigación del Departamento de Física de la Universidad de Hong Kong (HKU) y sus colegas han desarrollado recientemente un nuevo algoritmo en física cuántica conocido como “microscopía de entrelazamiento” para observar este fenómeno inusual a escala microscópica. Al ampliar las complejas interacciones de partículas entrelazadas, se puede descubrir la estructura oculta de la materia cuántica, revelando conocimientos que podrían transformar la tecnología y profundizar la comprensión del universo.
El estudio, dirigido por el profesor Xie Yang-Meng y sus estudiantes de doctorado Ting-Ting Wang y Minghan Song del Departamento de Física de HKU, fue realizado por el profesor William Witczak-Krempa y el estudiante de doctorado de la Universidad de Montreal Luke He lo dio a conocer junto con Li. Yu. Las estructuras ocultas del entrelazamiento cuántico en sistemas de muchos cuerpos ofrecen una nueva perspectiva sobre el comportamiento de la materia cuántica. Sus hallazgos fueron publicados recientemente en la revista Comunicaciones de la naturaleza.
Un gran avance en el mapeo del entrelazamiento cuántico
El entrelazamiento cuántico describe la conexión profunda entre partículas, donde el estado de una partícula se entrelaza instantáneamente con otra, incluso a grandes distancias. Imagínese tirar dos dados en diferentes lugares: el entrelazamiento cuántico es como descubrir que el resultado de un dado siempre determina el resultado del otro, sin importar qué tan lejos estén. Este fenómeno, denominado “acción espeluznante a distancia” por Albert Einstein, no es sólo una curiosidad teórica, sino que subyace a tecnologías como la computación cuántica, la criptografía y el estudio de materiales exóticos y agujeros negros. Sin embargo, obtener información sobre el entrelazamiento es intrínsecamente difícil debido a la gran cantidad de grados de libertad en los sistemas cuánticos de muchos cuerpos, tanto analítica como numéricamente.
Los investigadores han abordado este desafío desarrollando la «microscopía de entrelazamiento», un protocolo avanzado basado en simulaciones cuánticas de Monte Carlo a gran escala que puede extraer con éxito información de entrelazamiento cuántico en pequeñas regiones de sistemas cuánticos. Al centrarse en estas regiones microscópicas, el método revela cómo las partículas interactúan y se organizan de maneras complejas, particularmente cerca de puntos críticos en las transiciones de fase cuántica: estados especiales donde los sistemas cuánticos cambian profundamente en su comportamiento.
Su investigación se centró en dos modelos destacados en dos dimensiones: el modelo de Ising de campo transversal y el modelo de TV fermónico que realiza la transición agregada-Neuve-Yukawa de los fermiones de Dirac, cada uno de los cuales proporciona información fascinante sobre la naturaleza del entrelazamiento cuántico. Descubrieron que en el punto crítico cuántico de Ising, el entrelazamiento es de corto alcance, lo que significa que las partículas sólo están conectadas en distancias cortas. Esta conexión puede perderse repentinamente debido a cambios en la distancia o la temperatura, un fenómeno conocido como “muerte súbita”. Por el contrario, su investigación de las transiciones fermiónicas reveló una disminución gradual del entrelazamiento incluso en grandes separaciones, lo que indica que las partículas pueden mantener el contacto incluso cuando están muy separadas.
Sorprendentemente, el equipo descubrió que en la transición bidimensional de Ising, el entrelazamiento tridimensional estaba ausente, pero estaba presente en el sistema unidimensional. Esto significa que la dimensión del sistema afecta significativamente el comportamiento de entrelazamiento. Para simplificar, los sistemas de baja dimensión se parecen a un pequeño grupo de amigos donde las conexiones profundas (entrelazamiento complejo de múltiples partículas) son más probables. Por el contrario, los sistemas de alta dimensión, en comparación con las redes sociales más grandes y complejas, a menudo suprimen dichas conexiones. Estos resultados proporcionan una comprensión importante de cómo cambia la estructura de entrelazamiento a medida que aumenta la complejidad del sistema.
Aplicaciones y efectos
Este desarrollo tiene implicaciones importantes para el avance de las tecnologías cuánticas. Al proporcionar una comprensión más clara del entrelazamiento, puede ayudar a mejorar el hardware y los algoritmos de la computación cuántica, ayudando a resolver problemas más rápidamente en campos como la criptografía y la inteligencia artificial. También abre la puerta al diseño de materiales cuánticos de próxima generación con aplicaciones en energía, electrónica y superconductividad. Además, esta herramienta puede profundizar nuestra comprensión de la física fundamental y mejorar las simulaciones cuánticas en química y biología.
