Interacciones de Ising bidimensionales diseñadas en un simulador cuántico de iones atrapados con cientos de giros

Área de la Ciencia:

• Física de la materia condensada Física de la materia condensada Física de la materia condensada Física de la materia condensada Física de la materia condensada
• Simulación cuántica de la simulación cuántica.
• El magnetismo cuántico es el magnetismo cuántico.

Sus antecedentes:

• Las correlaciones de espín cuántico de largo alcance son cruciales para fenómenos como la superconductividad a alta temperatura.
• El estudio de sistemas de espín fuertemente correlacionados (por ejemplo, líquidos de espín) es un desafío debido a la intratabilidad computacional del entrelazamiento de N-cuerpo para N > 30.
• Los simuladores cuánticos, como predijo Feynman, ofrecen un enfoque prometedor para superar estas limitaciones computacionales.

Objetivo del estudio:

• Para demostrar una simulación cuántica escalable de las interacciones espín-espín en una gran matriz de qubits.
• Para realizar y controlar las interacciones de espín-espín tipo Ising de rango variable en una red 2D.
• Para permitir el estudio de fenómenos complejos de magnetismo cuántico que actualmente son computacionalmente intratables.

Principales métodos:

• Utilizó una red de cristal triangular 2D natural de cientos de iones de berilio de medio giro almacenados en una trampa de Penning.
• Implementó una fuerza de dipolo óptico dependiente de espín para diseñar interacciones espín-espín tipo Ising sintonizables, de rango variable, J(i,j).
• Interacciones investigadas con las dependencias de la ley de potencia en la distancia entre giros, J{\displaystyle i,j} d{\displaystyle i,j} ^{\displaystyle i,j}^{\displaystyle i,j}^{\displaystyle i,j}^{\displaystyle i,j}^{\displaystyle i,j}^{\displaystyle i,j}^{\displaystyle i,j}^{\displaystyle i,j}^{\displaystyle i,j}^{\displaystyle i,j}^{\displaystyle i,j}^{\displaystyle i,j}^{\displaystyle i,j}} , para 0 ≤ a ≤ 3.

Principales resultados:

• Se demostró con éxito una interacción espín-espín de rango variable en una escala computacionalmente relevante de cientos de qubits, un orden de magnitud mayor que los experimentos anteriores.
• Se mostraron interacciones antiferromagnéticas con dependencias de ley de potencia sintonizables (0.05 ≤ a ≤ 1.4), correspondientes a acoplamientos de rango infinito, tipo Coulomb, monopolio-dipolo y dipolo-dipolo.
• Se logró un excelente acuerdo entre los resultados experimentales y las predicciones teóricas para las interacciones realizadas.

Conclusiones:

• La técnica de simulación cuántica desarrollada, aprovechando una gran cantidad de qubits e interacciones sintonizables en una trampa de Penning, supera las limitaciones experimentales anteriores.
• Este avance pone a su alcance la simulación de problemas de magnetismo cuántico complejos e intratables desde el punto de vista computacional.
• El alto número de espines, el excelente control cuántico y la simplicidad técnica de la plataforma trampa de Penning allanan el camino para futuros descubrimientos en la física de la materia condensada.