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TagsFisica Física y matemáticas Fotón Mecánica cuántica Polarización (Ondas)
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                            PORTADA
SUMARIO
La realidad de los cuantos
Más allá del horizonte cuántico
Bayesianismo cuántico
El cuanto no cuántico
Procesamiento cuántico de la información
Los límites físicos de la privacidad
Objetivos y oportunidades de la simulación cuántica
Mundos cuánticos simulados
Vivir en un mundo cuántico
Efectos cuánticos macroscópicos
Agujeros negros y muros de fuego
Fuego en el horizonte
Geometría y entrelazamiento cuántico
Teorías supracuánticas
                        
Document Text Contents
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TEMAS

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S

EPISTEMOLOGÍA

La noción
cuántica

de realidad

FUNDAMENTOS

Teoría
cuántica

e información

RETOS EXPERIMENTALES

Efectos
cuánticos

macroscópicos

RETOS TEÓRICOS

Nuevas ideas
en gravedad

cuántica

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6

Edición española de Scientific American

FRONTERAS
DE LA FÍSICA

CUÁNTICA
Panorama contemporáneo
de una teoría fundamental

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46 TEMAS 86

n 1956, durante un encuentro de la
Sociedad Americana de Física, Ri-

chard Feynman impartió una confe-
rencia que llevaba por título «Hay mu-

cho sitio al fondo». Aquel seminario es
hoy ampliamente reconocido como una

de las principales fuentes de inspiración
en el desarrollo de la nanotecnología. En él, Feynman también
anticipó las posibilidades que la mecánica cuántica nos brin-
da para estudiar el mundo microscópico: «Cuando llegamos
al mundo de lo muy, muy pequeño, nos encontramos con todo
tipo de fenómenos que representan oportunidades completa-
mente nuevas en lo que se refiere al diseño. A pequeña escala,
el comportamiento de los átomos no se parece en nada a lo que
observamos a gran escala, pues satisfacen las leyes de la mecá-
nica cuántica. Así, a medida que descendemos y jugueteamos
con los átomos, estamos operando con otras leyes, por lo que
podemos esperar hacer cosas diferentes».

El campo de la información cuántica explora esas nuevas
posibilidades e intenta explotar las leyes de la mecánica cuán-
tica, entre las que se incluye el principio de superposición, para

realizar tareas computacionales con una eficiencia mayor que la
que exhiben los dispositivos gobernados por la física clásica. El
progreso experimental logrado durante las últimas décadas ha
sido extraordinario. Nos ha permitido aislar partículas micros-
cópicas una a una, manipular y controlar sus estados cuánticos
internos, así como detectarlas con una fidelidad casi perfecta.
Pero, a pesar de tales avances, el ordenador cuántico supone
aún un objetivo a largo plazo, pues requiere el control total de
un sistema cuántico de muchos cuerpos y, en último término,
la implementación de refinados protocolos de corrección de
errores que aseguren la tolerancia ante los fallos. Pero, aunque
un procesador cuántico funcional aún se haga esperar, ¿sería
posible aprovechar los avances experimentales conseguidos has-
ta ahora para construir un dispositivo que, sin llegar al nivel de
complejidad de un ordenador cuántico, realice algunas de las
tareas que resultan imposibles para un aparato clásico?

CUANTO POR CUANTO
La respuesta bien podría hallarse en otra de las conferencias
visionarias de Feynman. En su charla de 1981 «Simular la física
con ordenadores», el físico subrayaba la dificultad que entraña

T E O R Í A C UÁ N T I C A E I N F O R M AC I Ó N

Objetivos
y oportunidades
de la simulación
cuántica
Los simuladores cuánticos albergan promesas de gran calado,
pero el campo precisa objetivos claros a corto plazo

J. Ignacio Cirac y Peter Zoller

E

Calcular las propiedades de nume-
rosos sistemas cuánticos complejos
requiere emplear ordenadores cuán-
ticos. Sin embargo, la construcción
de un ordenador cuántico funcional
se encuentra aún lejos.

Una alternativa consiste en em-
plear simuladores cuánticos: sis-
temas cuánticos controlables, con
un comportamiento formalmente
análogo al del sistema que se de-
sea estudiar.

Algunos problemas que se benefi-
ciarían especialmente de este enfo-
que son el estudio de sistemas de
muchos cuerpos o el de aquellos
con una cantidad considerable de
entrelazamiento.

Dada la gran cantidad de simula-
ciones posibles, este nuevo campo
debería marcarse algunas metas
concretas, como conseguir diseñar
las interacciones de un sistema o ve-
rificar la fiabilidad de una simulación.

E N S Í N T E S I S

Page 53

Fronteras de la física cuántica 47

simular sistemas cuánticos por medio de ordenadores clásicos.
La potencia computacional necesaria para siquiera describir un
sistema cuántico aumenta de manera exponencial con el número
de constituyentes. Para describir el estado cuántico (puro) más
general de N partículas de espín 1/2, necesitamos almacenar
2N coeficientes; una tarea que, en la práctica, deviene casi im-
posible si N es mucho mayor que 50. Más aún: para predecir
el valor de una cantidad física, necesitaremos sumar, multi-
plicar o combinar de una forma u otra todos esos coeficientes,
lo que requerirá un tiempo de cómputo que crece también de
manera exponencial con N. Feynman defendía que, para superar
tales problemas, deberían emplearse «simuladores cuánticos»
que operasen según las leyes de la mecánica cuántica. Si dispu-
siéramos de un sistema compuesto, a su vez, de partículas de
espín 1/2 manipulables a voluntad, podríamos diseñar la inte-
racción entre tales partículas de acuerdo con la que queremos
simular y, de esa manera, predecir el valor de las cantidades
físicas sin más que efectuar las medidas adecuadas en nuestro
sistema.

Para construir un simulador cuántico, Feynman proponía
tratar el espacio y el tiempo como cantidades discretas. El pro-

blema en cuestión queda especificado por un hamiltoniano, H(t)
(una cantidad que describe las interacciones —en principio, de-
pendientes del tiempo— entre las partículas en un retículo), un
estado inicial, Ψ(0)〉, y un instante final, t. Con estos datos, el
objetivo consiste en determinar ciertas propiedades físicas del
estado final, Ψ(t)〉.

En 1996, Seth Lloyd demostró que la evolución a pequeños
«saltos» temporales permitiría simular de manera eficiente
cualquier hamiltoniano cuántico de muchos cuerpos que des-
cribiese interacciones entre pocas partículas. Aquí eficiente
quiere decir que el tiempo necesario para la simulación no
crecería de forma exponencial con el número de partículas,
sino polinómica. La idea principal consiste en aproximar cada
paso de tiempo por una secuencia de operaciones más simples
de acuerdo con la llamada descomposición de Trotter, lo que
resulta en una sucesión de puertas cuánticas. Cabe desta-
car que una simulación cuántica nos permitiría determinar
no solo el comportamiento dinámico de un sistema cuán-
tico de muchos cuerpos, sino también (mediante algoritmos
adiabáticos) propiedades a temperatura cero, correspondientes
al estado fundamental de un hamiltoniano dado.MI

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GRANDES OPORTUNIDADES: Richard Feynman (aquí durante una clase en 1970) se percató hace ya tiempo de las posibilidades
que entrañaba la manipulación de la materia a nivel atómico. En 1981 propuso la idea de simular un sistema cuántico con otro,

un proyecto que comienza a convertirse en una realidad experimental.

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