UN COLISIONADOR DE PARTÍCULAS DENTRO DE UN ORDENADOR CUÁNTICO

Las colisiones han sido durante mucho tiempo una de las principales herramientas de la física para sondear la estructura interna de la materia. Los simuladores cuánticos permiten ahora realizar colisiones en hardware cuántico, donde la intensidad de las interacciones puede ajustarse a voluntad, de débil a muy fuerte.

En los materiales reales en los que los electrones interactúan con fuerza, las colisiones entre cuasipartículas —excitaciones colectivas que se comportan como partículas— rigen cómo se mueven la carga y la energía. Sin embargo, normalmente solo se estudian de forma indirecta, mediante espectroscopia. Un simulador cuántico puede crear cuasipartículas individuales, lanzarlas y observar cómo chocan en el espacio y en el tiempo.

Dos proyectiles opuestos

Chan Bin Bark, Moon Jip Park y sus colegas de la Universidad Hanyang de Seúl, la Universidad Ajou de Corea y la Universidad Estatal de Ohio, en Estados Unidos, eligieron un modelo de manual de electrones que interactúan, el modelo de Fermi-Hubbard. Los electrones saltan de sitio en sitio a lo largo de una cadena, y dos electrones en el mismo sitio se repelen con una energía U. Con exactamente un electrón por sitio, la cadena se convierte en un llamado aislante de Mott.

Sobre ese fondo, dos tipos de excitaciones pueden transportar carga:

• un doblón (doublon), un sitio con dos electrones;
• un holón (holon), un sitio vacío.

Se comportan como una partícula y su antipartícula. Ya se habían estudiado colisiones entre cuasipartículas idénticas; una colisión entre dos diferentes, preparadas cada una de forma individual, no.

Construir el colisionador

El equipo codificó una cadena de 21 sitios en 42 cúbits del procesador cuántico superconductor de IBM ibm_boston, dos cúbits por sitio. Colocaron un doblón en un lado y un holón en el otro.

Para lanzarlos, primero desactivaron durante un breve tiempo los saltos hacia los bordes exteriores, de modo que cada excitación solo pudiera moverse hacia el centro, como una puerta de salida. Después restablecieron todos los saltos y dejaron que los dos paquetes se encontraran cerca del centro.

Ejecutar estos circuitos en el ruidoso hardware actual exigió cuidado: eligieron los mejores cúbits mediante pruebas preliminares, realizaron 70.000 mediciones por punto de datos y aprovecharon que el número total de partículas debe mantenerse constante para corregir errores. Lo compararon todo con una solución teórica exacta del modelo, conocida como ansatz de Bethe, y con simulaciones por ordenador clásico.

Atravesar, rebotar o ambas cosas

• Con una repulsión débil (U = 1), el doblón y el holón se atraviesan y siguen su camino.
• Con una repulsión fuerte (U = 7), rebotan. Para intercambiar sus posiciones tendrían que pasar por una disposición intermedia que cuesta una energía U, así que se comportan como bolas duras.
• En ambos casos salen tan rápido como llegaron: la colisión es elástica.

Midieron la probabilidad de atravesarse para repulsiones de 1 a 8. Sigue la teoría exacta sin ningún parámetro ajustado, algo inédito para cuasipartículas de este modelo en hardware cuántico, según los autores.

Mitad atraviesa, mitad rebota

Con una repulsión intermedia (U = 3,5) ocurre algo inusual: la carga casi desaparece tras la colisión. Medir doblones y holones por separado muestra por qué. Ninguno se desvaneció —el número de doblones no disminuye—, sino que cada uno se repartió a ambos lados de la cadena. El estado saliente parece una mezcla de «atravesó» y «rebotó» en proporciones comparables.

Una superposición así entrelaza las mitades izquierda y derecha de la cadena. El equipo lo detectó sin reconstruir por completo el estado cuántico, midiendo cuánto fluctúa el número de partículas en la mitad izquierda de una ejecución a otra. La fluctuación es máxima en el régimen intermedio.

Como control, sustituyeron el holón por un segundo doblón. Dos doblones idénticos no pueden intercambiar sus posiciones y, en efecto, su colisión parecía casi igual con cualquier repulsión, casi sin fluctuaciones.

Lo que queda por demostrar

Los autores son prudentes: sus mediciones muestran que los dos desenlaces están presentes, y en qué proporciones, pero no demuestran directamente que estén superpuestos de forma coherente. Esa interpretación descansa en las leyes de la evolución cuántica y en la concordancia con la teoría. Un experimento de interferencia podría confirmarlo cuando sean posibles simulaciones más largas: más allá de la ventana de tiempo estudiada aquí, incluso las simulaciones clásicas tienen dificultades para seguir el ritmo.