La simulación de sistemas cuánticos y el desarrollo de sistemas que aprovechen los efectos de la mecánica cuántica para la computación dependen de la capacidad de organizar átomos en patrones específicos con alta precisión. Para organizar átomos en matrices ordenadas, los físicos suelen utilizar pinzas ópticas —haces láser altamente enfocados capaces de atrapar partículas.

Investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC) y del Laboratorio de Inteligencia Artificial de Shanghái (Shanghai AI Lab) han presentado recientemente un nuevo protocolo de inteligencia artificial (IA) que puede organizar miles de átomos en matrices, asegurando al mismo tiempo que estas matrices estén libres de defectos (es decir, sin átomos ausentes).

Presentaron su método propuesto en un artículo publicado en Physical Review Letters, que utiliza hologramas (es decir, hologramas de luz generados por computadora) proyectados a través de un dispositivo llamado modulador espacial de luz, junto con algoritmos de IA que pueden planificar el movimiento simultáneo de todos los átomos atrapados a las posiciones deseadas, para corregir las matrices de forma rápida y en tiempo real.

«Nuestro interés inicial en las matrices de átomos neutros en realidad surgió de un interés fundamental en el debate centenario de Einstein y Bohr sobre el experimento mental de la rendija de retroceso», dijo a Phys.org el profesor Lu Chaoyang, coautor principal del artículo. «Hace unos cinco años, comenzamos a explorar cómo usar un átomo tridimensional atrapado y enfriado en una pinza óptica a su estado fundamental, como una rendija de retroceso limitada cuánticamente, para realizar fielmente el experimento mental de Einstein. Al mismo tiempo, también reconocimos el gran potencial de las matrices atómicas como una plataforma elegante y simple para la computación cuántica».

Este último estudio tenía como objetivo combinar técnicas de IA con física cuántica para abordar un desafío bien conocido que se encuentra al ensamblar matrices atómicas. Uno de los investigadores principales fue el Dr. Zhong Hansen, quien fue estudiante del profesor Lu y comenzó a trabajar en el Shanghai AI Lab después de obtener su doctorado en la USTC.

«Reconocimos que la IA para la Ciencia (AI for Science) se está convirtiendo en un paradigma poderoso para resolver problemas científicos complejos, y hemos mantenido discusiones continuas con Han-Sen al respecto», dijo Lu. «Esto nos impulsó a aprovechar la IA para abordar un desafío de larga data en el campo de las matrices atómicas: cómo reorganizar matrices atómicas a gran escala de manera eficiente, rápida y escalable. Este es un muy buen ejemplo de 'AI4Q' (IA para la Cuántica)».

El profesor Zhong, quien en ese momento era estudiante en el grupo de investigación del profesor Lu, diseñó un marco impulsado por IA que puede planificar el movimiento simultáneo de todos los átomos en una matriz de pinzas ópticas. En los experimentos del equipo, la matriz de pinzas ópticas se generó utilizando un modulador espacial de luz (SLM) de alta velocidad, un dispositivo que puede imprimir hologramas en un haz láser incidente.

«Utilizamos un modelo de IA para calcular los hologramas para lograr la reorganización de átomos en tiempo real», explicó el profesor Zhong. «Al controlar con precisión la posición y la fase de la matriz de pinzas, todos los átomos pueden moverse simultáneamente. En los experimentos, demostramos el ensamblaje de matrices atómicas bidimensionales y tridimensionales sin defectos de hasta 2024 átomos en tan solo 60 milisegundos. Es notable que el costo de tiempo se mantiene constante independientemente del tamaño de la matriz, lo que hace que el método sea fácilmente escalable en el futuro a 10,000 o incluso 100,000 átomos». El método propuesto por los investigadores analiza la matriz atómica cargada aleatoriamente y calcula la ruta óptima desde los átomos cargados en las pinzas ópticas hasta las posiciones objetivo de los átomos ausentes. Luego, esta ruta se divide en una serie de pasos subyacentes.

«La ruta completa se divide en N pasos, y para cada pequeño paso, utilizamos el modelo de IA para calcular el holograma para el SLM y controlar con precisión la posición y fase de la matriz de pinzas ópticas», dijo el profesor Zhong. «Todos los átomos se mueven sincronizados en tiempo real. Nuestro método logra un alto paralelismo, lo que resulta en un rendimiento de tiempo rápido y constante».

Una característica destacada del método del equipo para ensamblar matrices de átomos neutros sin defectos es su capacidad para lograr el movimiento paralelo de todos los átomos, formando así matrices sin defectos. Esto contrasta marcadamente con los métodos presentados anteriormente que mueven los átomos de forma secuencial.

«Logramos una reorganización rápida y de tiempo constante, independientemente del tamaño de la matriz», dijo Lu.

Esta investigación abre nuevas posibilidades para realizar sistemas cuánticos compuestos por matrices atómicas sin defectos. Estos sistemas, a su vez, podrían usarse para realizar simulaciones o computaciones cuánticas de manera confiable.

«Nuestro próximo objetivo es demostrar la corrección de errores cuánticos y la computación cuántica tolerante a fallas basada en qubits atómicos», añadió el profesor Pan Jianwei, coautor principal del artículo.