Los ordenadores cuánticos trenzaron ‘anyons,’ quasipartículas muy buscadas con memoria.

¿Anyones, alguien?

Los científicos han creado extraños objetos parecidos a partículas llamados anyones no-abelianos. Estas quasipartículas tan buscadas pueden ser "entrelazadas", lo que significa que pueden ser movidas alrededor una de la otra y mantener una memoria de ese intercambio, similar a como una coleta trenzada lleva un registro del orden en el que las hebras se cruzan entre sí.

Dos equipos independientes, uno dirigido por investigadores de Google y otro por investigadores de la compañía de computación cuántica Quantinuum, han informado de la creación y el entrelazamiento de versiones de estas anyones utilizando computadoras cuánticas. Los resultados de Google y Quantinuum, respectivamente reportados el 11 de mayo en Nature y el 9 de mayo en arXiv.org, podrían ayudar a los científicos a construir las computadoras cuánticas que son resistentes a los errores que actualmente plagian las máquinas.

Los anyones no-abelianos desafían la intuición común sobre lo que sucede con los objetos que cambian de posición. Imagine el juego callejero de las tazas y las pelotas, donde un artista intercambia tazas idénticas de ida y vuelta. Si no estuviera mirando con atención, nunca sabría si dos tazas se habían movido alrededor una de la otra y vuelto a sus posiciones originales. En el mundo cuántico, eso no siempre es cierto.

"Se predice que hay una partícula loca donde, si las intercambias entre sí mientras tienes los ojos cerrados, en realidad puedes decirlo después", dice el físico Trond Andersen de Google Quantum AI en Santa Bárbara, California. “Esto va en contra de nuestro sentido común y parece loco."

Las partículas en nuestro mundo tridimensional normal no pueden hacer este truco de magia. Pero cuando las partículas están confinadas a solo dos dimensiones, las reglas cambian. Si bien los científicos no tienen un universo de 2-D en el que explorar partículas, pueden manipular materiales o computadoras cuánticas para exhibir un comportamiento similar al de las partículas que viven en dos dimensiones, creando objetos conocidos como quasipartículas.

Todas las partículas subatómicas fundamentales caen en dos clases, según cómo se comportan las partículas idénticas de cada tipo cuando se intercambian. Son fermiones, una clase que incluye electrones y otras partículas que conforman la materia, o bosones, que incluyen partículas de luz conocidas como fotones.

Pero en dos dimensiones, hay otra opción: los anyones. Para bosones o fermiones, intercambiar partículas idénticas de ida y vuelta o moverlas alrededor de las demás no puede tener un efecto directamente medible. Para los anyones, sí puede tenerlo.

En la década de 1990, los científicos se dieron cuenta de que una versión específica de un anyon, llamado anyon no-abeliano, podría usarse para construir computadoras cuánticas que pudieran proteger la frágil información cuántica, que es fácilmente perturbada por pequeñas perturbaciones.

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"Por razones fundamentales, estos anyones han sido muy emocionantes, y por razones prácticas, las personas esperan que puedan ser útiles", dice el físico teórico Maissam Barkeshli de la Universidad de Maryland en College Park, que no estuvo involucrado en ninguno de los estudios.

El equipo de Google creó los anyones utilizando una computadora cuántica superconductora, donde los bits cuánticos, o qubits, están hechos de material que conduce electricidad sin resistencia. El estudio de Quantinuum, que aún no ha sido revisado por pares, se basa en una computadora cuántica cuyos qubits están compuestos de átomos atrapados eléctricamente cargados de iterbio y bario. En ambos casos, los científicos manipularon los qubits para crear los anyones y moverlos, demostrando un cambio medible después de que se entrelazaron los anyones.

Los científicos ya habían creado y entrelazado un tipo menos exótico de anyon, llamado cualquier abeliano, dentro de una capa 2-D de un material sólido (SN: 7/9/20). Y muchos físicos están buscando un material sólido similar que pueda albergar el tipo no-abeliano.

Pero los nuevos estudios crean estados no-abelianos dentro de los qubits dentro de una computadora cuántica, lo que es fundamentalmente diferente, dice Barkeshli. "Estás creando sintéticamente el estado por un breve momento". Eso significa que no tiene todas las propiedades que tendrían los anyones dentro de un material sólido, dice.

En ambos casos, se debe hacer mucho más trabajo antes de que los anyones puedan crear computadoras cuánticas poderosas y resistentes a errores. El estudio de Google, en particular, produce un anyon que es similar a un pez fuera del agua. Es un no-abeliano dentro de un marco abeliano más común. Eso significa que esos anyones pueden no ser tan poderosos para la computación cuántica, dice Barkeshli.

No se trata solo de la utilidad práctica. Demostrar que los anyones no-abelianos realmente existen es fundamentalmente importante, dice Henrik Dreyer de Quantinuum, físico en Munich. "Confirma que las reglas de la mecánica cuántica se aplican de la manera que pensamos que se aplicarían".