Físicos de Oxford simulan el efecto Aharonov-Bohm con iones atrapados

Doble función de los iones de estroncio atrapados

Las teorías de gauge estándar explican las fuerzas fundamentales siguiendo cómo los campos de materia intercambian campos de gauge portadores de fuerza. En los modelos de retículo, el espacio se trata como una cuadrícula en la que la materia ocupa los vértices y los campos de gauge se sitúan en los enlaces que los conectan. Simular estos modelos en ordenadores convencionales se vuelve computacionalmente intratable a medida que crecen las dimensiones, lo que ha impulsado una innovación continua en plataformas especializadas de computación cuántica.

Para construir su simulador, los investigadores de la Universidad de Oxford se apoyaron en una arquitectura híbrida. Dos niveles de energía electrónicos de un ion de estroncio sirvieron como cúbit para representar el campo de gauge en un enlace, según Phys.org. Al mismo tiempo, los modos vibracionales de los iones actuaron como osciladores armónicos para almacenar campos de materia. En este marco, una sola unidad de energía vibracional, conocida como fonón, representa una partícula de materia. El primer autor, Sebastian Saner, señaló que «la ventaja es que los campos de materia pueden almacenarse de forma mucho más eficiente en los modos vibracionales».

«Empezamos a idear cómo usar un sistema cuántico híbrido de iones atrapados para simular teorías de gauge en retículo ya en 2022».

— Sebastian Saner, primer autor e investigador de la Universidad de Oxford

Acoplar el movimiento mediante dimensiones sintéticas

La geometría del retículo simulado no depende de la colocación física de los iones en la trampa. Incluso alineadas en línea recta, las partículas pueden replicar configuraciones de dimensiones superiores mediante acoplamientos diseñados con láser conocidos como dimensiones sintéticas.

Para inducir el movimiento de las partículas, los investigadores dirigieron haces láser para ejercer dos fuerzas distintas sobre modos vibracionales diferentes. Cada fuerza empujaba en una dirección determinada por el estado interno del cúbit. Siempre que el fonón saltaba entre sitios de materia, la línea de campo en el enlace alternaba entre estados presente y ausente. Esta dinámica vinculaba directamente el movimiento de las partículas con el campo de gauge subyacente, como se detalla en Phys.org.

Observar la interferencia en bucles cerrados

Las simulaciones cuánticas anteriores de teorías de gauge en retículo Z₂ estaban en su mayoría restringidas a una dimensión u omitían por completo los campos de materia para reducir la complejidad. En una dimensión, los enlaces no pueden formar bucles, lo que impide que aparezca flujo magnético. Al organizar dos iones atrapados en una geometría cuasibidimensional, el equipo de Oxford introdujo un bucle cerrado atravesado por flujo, dando lugar a cuasipartículas de flujo conocidas como visones.

La configuración permitió a los investigadores observar el efecto Aharonov-Bohm, un fenómeno de interferencia en el que una partícula cargada responde a potenciales electromagnéticos incluso en regiones donde los propios campos son nulos. Saner dijo a Phys.org que el concepto tomó forma a lo largo de varios años: «Empezamos a idear cómo usar un sistema cuántico híbrido de iones atrapados para simular teorías de gauge en retículo ya en 2022». Los hallazgos resultantes se publicaron en Nature Physics.

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