Tira y afloja desbloquea la colección de fases cuánticas de la materia

Tira y afloja desbloquea la colección de fases cuánticas de la materia

En nuevos experimentos numéricos, las partículas cuánticas (puntos negros), que viajan hacia arriba en el tiempo, están sujetas a procesos cuánticos aleatorios (bloques azules, verdes y amarillos). Dependiendo de la probabilidad de los diferentes tipos de procesos, las partículas cuánticas finalmente terminan en diferentes fases de entrelazamiento. Esta figura muestra cinco ejemplos de procesos elegidos al azar que actúan sobre un pequeño número de partículas. Crédito: A. Lavasani/Instituto Conjunto Cuántico

Las fases son parte integral de cómo definimos nuestro mundo. Navegamos a través de las fases de nuestras vidas, desde niños hasta adolescentes y adultos, acompañados en el camino por nuestros rasgos y comportamientos cambiantes. La naturaleza también sufre cambios de fase. Los lagos pueden congelarse durante el invierno, descongelarse en la primavera y perder agua por evaporación en la canícula del verano. Es útil capturar y estudiar las diferencias que acompañan a estos cambios dramáticos.


En física, las fases de la materia juegan un papel clave, y hay más fases además de las conocidas sólidas, líquidas y gaseosas. Los físicos han construido una modesta taxonomía de las diferentes fases que puede habitar la materia y han explorado la alquimia de cómo una fase puede convertirse en otra. Ahora, los científicos están descubriendo nuevas formas de conjurar fases cuánticas únicas que pueden ser fundamentales para las computadoras cuánticas y otras tecnologías cuánticas del futuro.

«Aquí hay todo un mundo», dice Maissam Barkeshli, miembro del JQI y físico de la Universidad de Maryland, quien también es miembro del Centro de Teoría de la Materia Condensada. «Hay todo un zoológico de fases que podríamos estudiar al tener procesos competitivos en circuitos cuánticos aleatorios».

A menudo, cuando los físicos estudian las fases de la materia, examinan cómo cambia una losa sólida de metal o una nube de gas a medida que se calienta o se enfría. A veces, los cambios son rutinarios: todos hemos hervido agua para cocinar la pasta y la hemos congelado para enfriar nuestras bebidas. Otras veces, las transformaciones son sorprendentes, como cuando ciertos metales se enfrían lo suficiente como para convertirse en superconductores o un gas se calienta y se descompone en una sopa de plasma brillante.

Sin embargo, cambiar la temperatura es solo una forma de transmutar la materia en diferentes fases. Los científicos también explotan muestras con fuertes campos eléctricos o magnéticos o las colocan en cámaras especiales y aumentan la presión. En estos experimentos, los investigadores buscan una transición marcada en el comportamiento de un material o un cambio en la forma en que se organizan sus átomos.

En un nuevo artículo publicado recientemente en la revista Cartas de revisión física, Barkeshli y dos colegas continuaron con esta tradición de explorar cómo los materiales responden a su entorno. Pero en lugar de buscar cambios en la conductividad o la estructura molecular, se centraron en los cambios en una propiedad cuántica única: el entrelazamiento, o el grado en que las partículas cuánticas renuncian a su individualidad y se correlacionan entre sí. La cantidad de entrelazamiento y la forma distinta en que se distribuye entre un grupo de partículas define diferentes fases de entrelazamiento.

En todas las fases de entrelazamiento estudiadas en el nuevo artículo, las partículas se fijan en su lugar. No se mueven ni forman nuevos enlaces, como sucede cuando el hielo se derrite en agua. En cambio, la transición de fase a fase requiere una metamorfosis en la forma en que las partículas se entrelazan entre sí, un cambio que es invisible si solo presta atención al comportamiento local de las partículas y sus enlaces. Para revelar este cambio, los investigadores utilizaron una cantidad llamada entropía de entrelazamiento topológico, que captura, en un solo número, la cantidad de entrelazamiento presente en una colección de partículas. Las diferentes fases de entrelazamiento tienen diferentes cantidades de entropía de entrelazamiento, por lo que calcular este número indica en qué fase de entrelazamiento se encuentran las partículas.

Los investigadores utilizaron las supercomputadoras de la UMD para realizar experimentos numéricos y estudiar las fases de entrelazamiento de una red de partículas cuánticas. Estudiaron en qué fase de entrelazamiento terminan las partículas cuando se someten a un tira y afloja entre tres procesos cuánticos en competencia. Un proceso realiza una medición cuántica en una partícula individual, obligándola a elegir entre uno de dos estados y eliminando algunos enredos de la red. Otro proceso, que los investigadores fueron los primeros en incluir, también es una medición cuántica, pero en lugar de medir una sola partícula, mide cuatro partículas vecinas a la vez. Esto también elimina parte del enredo, pero también puede propagar el enredo de forma controlada. El proceso final tuerce y hace girar las partículas, como lo que sucede cuando un imán influye en la aguja de una brújula. Esto tiende a inyectar más enredos en la rejilla.

Por sí solo, cada uno de los tres procesos atraerá a las partículas a tres fases diferentes de entrelazamiento. Después de muchas aplicaciones del proceso que retuerce las partículas, el enredo se extenderá por todas partes: todas las partículas terminarán enredadas entre sí. Las mediciones de partículas individuales tienen el efecto opuesto: eliminan el enredo y detienen su propagación. Las mediciones de cuatro partículas, que propagan el entrelazamiento de forma controlada, conducen a una fase intermedia.

Los investigadores comenzaron sus experimentos numéricos preparando todas las partículas de la misma manera. Luego, seleccionaron al azar tanto un proceso como a qué grupo de partículas se aplicó. Después de muchas rondas de aplicaciones aleatorias, dejaron de insistir y calcularon la entropía de entrelazamiento topológico. Durante muchas ejecuciones, los investigadores también variaron la probabilidad de seleccionar los diferentes procesos, ajustando la frecuencia con la que cada uno de los procesos se aplica en relación con los demás. Al realizar estos experimentos muchas veces, los investigadores construyeron un diagrama de fase, básicamente un mapa de cuánto entrelazamiento queda después de muchas rondas de empujones cuánticos aleatorios.

Los resultados se suman a un cuerpo de trabajo emergente que estudia los efectos de aplicar procesos cuánticos aleatorios, que incluyen un artículo publicado en Física de la naturaleza a principios de este año por el mismo equipo, pero la inclusión de las mediciones de cuatro partículas en el nuevo resultado produjo una imagen más rica. Además de algunas características esperadas, como tres fases distintas de entrelazamiento correspondientes a los tres procesos, los investigadores encontraron un par de sorpresas.

En particular, descubrieron que el entrelazamiento se extendía ampliamente por todo el sistema utilizando solo los dos procesos de medición cuántica, aunque ninguno de los dos produciría esa fase por sí solo. Es posible que incluso hayan detectado una fase estable encaramada entre la fase creada solo por las mediciones de una sola partícula y la fase creada solo por las mediciones de cuatro partículas, un fenómeno poco probable similar a equilibrar algo en el filo de un cuchillo.

Pero además de crear el diagrama de fase en sí, los autores dicen que su técnica proporciona una nueva forma de preparar fases que ya son bien conocidas. Por ejemplo, la fase creada por las mediciones de cuatro partículas es clave para los códigos de corrección de errores cuánticos y el cálculo cuántico topológico. Una forma de preparar esta fase requeriría realizar las mediciones de cuatro partículas, interpretar los resultados de esas mediciones y devolver esa información a la computadora cuántica mediante la realización de procedimientos cuánticos adicionales altamente controlados. Para preparar la misma fase con la nueva técnica, todavía se deben realizar las mismas mediciones de cuatro partículas, pero se pueden realizar de forma aleatoria, con otros procesos cuánticos intercalados, y no es necesario interpretar los resultados de las mediciones. una bendición potencial para los investigadores que buscan construir dispositivos cuánticos.

«Es una especie de atajo en el sentido de que es una forma de realizar algo interesante sin necesitar tanto control como pensabas que necesitabas», dice Barkeshli.

Los autores señalan que el nuevo trabajo también contribuye al creciente estudio de las fases de no equilibrio de la materia cuántica, que incluye descubrimientos exóticos como cristales de tiempo y localización de muchos cuerpos. Estos contrastan con las fases de equilibrio de la materia en las que los sistemas intercambian calor con su entorno y, en última instancia, comparten la misma temperatura, asentándose en configuraciones estables. La diferencia clave entre las fases de equilibrio y no equilibrio son los empujones continuos que proporciona la aplicación de procesos aleatorios.

«Nuestro trabajo muestra que la naturaleza peculiar de las mediciones en la mecánica cuántica podría aprovecharse para realizar exóticas fases de la materia que no están en equilibrio», dice Ali Lavasani, estudiante graduado en el Departamento de Física de la UMD y primer autor del nuevo artículo. «Además, esta técnica también podría conducir a nuevas fases de la materia que no están en equilibrio y que no tienen ninguna contrapartida en los entornos de equilibrio, al igual que los sistemas impulsados ​​​​dan lugar a cristales de tiempo que están prohibidos en los sistemas de equilibrio».


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Más información:
Ali Lavasani et al, orden topológico y criticidad en (2 + 1) D circuitos cuánticos aleatorios monitoreados, Cartas de revisión física (2021). DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.235701

Proporcionado por el Instituto Quantum Conjunto

Citación: Tug-of-war desbloquea la colección de fases cuánticas de la materia (26 de enero de 2022) consultado el 26 de enero de 2022 en https://phys.org/news/2022-01-tug-of-war-menagerie-quantum-phases. html

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