El fin de los vuelos con retraso

La simulación cuántica podría ayudar a que los vuelos se ejecuten a tiempo.

Una nueva y poderosa forma de computación podría ayudar a los científicos a diseñar nuevos tipos de materiales  para nanoelectrónica, permitir que las aerolíneas resuelvan problemas logísticos complejos para asegurar que los vuelos se ejecuten a tiempo, y enfrentar los atascos de tráfico para que los autos circulen más libremente en carreteras con mucho tráfico.

Si bien las computadoras digitales modernas son capaces de realizar impresionantes logros de cálculo, existen algunos problemas con los que incluso las supercomputadoras más avanzadas luchan. Pero los investigadores creen que las nuevas computadoras que aprovechan el poder de la mecánica cuántica, que gobierna el extraño comportamiento de partículas microscópicas como bosones, fermiones y cualquier persona, podrían abordar estos problemas en cuestión de segundos.

La construcción de computadoras cuánticas de propósito general ha demostrado ser excepcionalmente difícil y en la actualidad, solo un puñado de máquinas caras están en desarrollo.

En cambio, algunos científicos están adoptando otro enfoque al construir sistemas de computación conocidos como simuladores cuánticos analógicos en un intento por encontrar un atajo a algunas de las respuestas que las computadoras cuánticas prometen proporcionar.

Estos simuladores están diseñados para explorar propiedades específicas de la física cuántica mediante el modelado del comportamiento de las partículas más pequeñas del universo. Esto, a su vez, se puede aplicar para resolver problemas complejos en un mundo más amplio que en la actualidad es imposible resolver o podría llevar toda una vida usar computadoras clásicas.

"La analogía que realmente me gusta es que los simuladores cuánticos analógicos son un poco como un túnel de viento", dijo el profesor Andrew Daley, físico de la Universidad de Strathclyde, Reino Unido, y miembro del   proyecto PASQuanS . 'Hace un par de décadas era imposible simular el flujo de aire en una computadora, así que en lugar de eso, construiría un modelo a escala y lo pondría en un túnel de viento.

'Pero con la simulación cuántica analógica, el escalado va para el otro lado, en lugar de hacer una versión más pequeña, se está haciendo una versión más grande. Esto lo hace más controlable y, por lo tanto, es más fácil aprender los detalles de cómo podría funcionar algo '.

"Podemos tomar un problema de otra parte y asignarlo a la interacción entre los átomos o iones".

Prof. Andrew Daley, Universidad Strathclyde, Reino Unido

Ampliado

El proyecto, que reúne a un equipo de investigadores de toda Europa, está intentando construir algunos de los simuladores cuánticos analógicos más potentes hasta la fecha utilizando átomos e iones como modelos a escala de partículas subatómicas.

Por ejemplo, los átomos ultrafríos, que se han enfriado a unos pocos grados por encima del cero absoluto, pueden suspenderse en una red formada por luz láser para simular la forma en que los electrones se mueven en un cristal. Hasta ahora, los simuladores cuánticos de vanguardia utilizan alrededor de 100 átomos ultrafríos o hasta 20 iones en sus modelos, pero el equipo espera impulsar sus sistemas para tener más de 1,000 átomos y hasta 50 iones.

Esto podría llevar la potencia de estos simuladores más allá de lo que es posible con la computación clásica en un plazo mucho más corto de lo que sería posible al construir una computadora cuántica general, dice el Prof. Daley.

Un desafío clave es hacer que los simuladores sean más controlables y programables. Los investigadores involucrados en el proyecto están desarrollando nuevas técnicas para controlar los átomos, como atraparlos con "pinzas" láser, hacer que los átomos seleccionados entren en estados de alta energía o moverlos para que interactúen de diferentes maneras.

"El bit programable se trata de hacer que estos sistemas sean altamente controlables, de manera bien calibrada, en el nivel de sitios de celosía individuales, iones individuales o átomos individuales", dijo el Prof. Daley.

Si bien estos simuladores podrían ayudar a los físicos a resolver cuestiones difíciles sobre el comportamiento de las partículas en los sistemas cuánticos, también pueden usarse para abordar problemas más grandes del mundo real.

Los algoritmos de recocido cuántico, por ejemplo, explotan una peculiaridad de la física cuántica por medio de la cual las partículas subatómicas, los átomos y las moléculas más grandes pueden encontrar el camino de menor resistencia al cambiar los estados de energía. Esto puede compararse con tratar de hacer rodar una bola cuesta arriba para alcanzar un valle más profundo en el otro lado: si la bola no recibe suficiente empuje, no tendrá la energía para alcanzar la cima de la colina y simplemente rodar hacia atrás. Las partículas cuánticas, en comparación, pueden sortear los picos de energía que deben superar simplemente haciendo un túnel a través de ellas.

Optimizando

Esta capacidad de encontrar estados de bajo consumo de energía más fácilmente significa que el recocido cuántico se puede usar para encontrar formas de optimizar redes de tráfico complicadas o cadenas logísticas complicadas.

"Podemos tomar un problema de otra parte y mapearlo en la interacción entre los átomos o iones", dijo el profesor Daley. "Entonces podemos comenzar a hacer preguntas para encontrar la configuración de energía más baja posible".

Las principales empresas como  Airbus,  Total, Bosch, Electricité de France (EDF) y Siemens ya han expresado interés en explorar este enfoque. Investigadores de las compañías están trabajando con el proyecto en un intento por encontrar aplicaciones potenciales que puedan aplicarse a sus operaciones comerciales.

En aviones, por ejemplo, podría usarse para garantizar que los aviones y la tripulación de la aerolínea estén en el lugar correcto para que los vuelos funcionen sin problemas.

También podría usarse para modelar rápidamente la mejor manera de desviar el tráfico en carreteras con mucho tráfico para evitar la congestión y reducir la contaminación.

"Hemos creado un foro de usuarios finales para obtener ideas específicas sobre el tipo de problemas que se pueden implementar en las plataformas de simulación cuántica analógica", dijo el Prof. Daley. "Estos son grandes problemas que son particularmente interesantes para la industria y que luego podríamos imitar en nuestros sistemas".

El poder de los simuladores cuánticos va más allá de encontrar formas de optimizar procesos. El profesor Daley y sus colegas dicen que una de las primeras aplicaciones de sus simuladores cuánticos será ayudar a diseñar nuevos materiales, incluso para nanoelectrónica y superconductores.

Esto es algo que el   proyecto Qombs también persigue al crear una simulación cuántica analógica para diseñar una nueva generación de material que puede producir láseres infrarrojos altamente ajustables. La longitud de onda (o color) de los láseres modernos está determinada por los elementos en el diodo utilizado para generar la luz.

Pero al cultivar cristales que contienen diferentes concentraciones de metales como el aluminio, el galio y el arsénico en capas, los investigadores detrás del proyecto quieren crear materiales semiconductores que puedan producir luz láser en longitudes de onda que de otra manera serían imposibles. Estos dispositivos son conocidos como láseres de cascada cuántica.

Láseres

"Estamos utilizando simulaciones cuánticas para optimizar y obtener nuevas funciones que mejorarán el rendimiento que es posible con los láseres en cascada cuánticos hoy", dijo el Dr. Francesco Cappelli, investigador del Instituto Nacional de Óptica en Florencia, Italia, y miembro de El equipo de Qombs.

Al simular el comportamiento de los electrones y fotones en diferentes estructuras y concentraciones de metales, el equipo espera controlar mejor la longitud de onda de la luz producida por los dispositivos.

Si tiene éxito, podría llevar a dispositivos que puedan producir luz con longitudes de onda extremadamente largas que se extiendan en el infrarrojo medio y lejano, algo que actualmente es inalcanzable.

"Estos podrían usarse en la comunicación, ya que la luz no es absorbida por los gases en la atmósfera en estas longitudes de onda", dijo el Dr. Cappelli. "La atmósfera no solo es transparente, sino que la dispersión debida a la humedad y al polvo también se reduce en comparación con los láseres visibles".

Ajustar los láseres a longitudes de onda específicas también podría permitir que se usen en sensores para detectar gases específicos, como contaminantes u otras sustancias dañinas.

Un láser de cascada cuántica sintonizado para emitir luz con la longitud de onda exacta absorbida por el dióxido de nitrógeno, por ejemplo, podría usarse para medir con precisión los niveles de gas en áreas urbanas.

"Diseñar cristales semiconductores con este tipo de propiedades nunca sería posible en las computadoras clásicas", dijo el Dr. Capelli.

La investigación en este artículo fue financiada por la UE. Si te ha gustado este artículo, considera compartirlo en las redes sociales.