Los sistemas cuánticos topológicos son estructuras físicas que exhiben propiedades determinadas por la conectividad general de su red subyacente, en lugar de depender de interacciones locales y su estructura microscópica. Predecir la evolución de estos sistemas a lo largo del tiempo y sus correlaciones cuánticas de largo alcance es un desafío, ya que su comportamiento no se define a través de la magnetización u otros parámetros vinculados a interacciones locales.
Investigadores de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) han simulado un tipo de materia topológica conocido como líquido cuántico de espín, utilizando un nuevo enfoque numérico. Este método, descrito en un artículo publicado en Nature Physics, se demostró mediante un protocolo experimental ampliamente utilizado que se basa en átomos de Rydberg, es decir, átomos en los que uno o más electrones están excitados para producir estados de alta energía.
Según Linda Mauron, primera autora del estudio, «todo comenzó con el trabajo publicado por Semeghini et al., donde se estudió experimentalmente un líquido de espín topológico. Este artículo fue importante porque fue uno de los primeros en observar tal estado fuera de la teoría». Sin embargo, Mauron y su equipo se dieron cuenta de que todos los puntos de referencia numéricos, al igual que en muchos otros experimentos en plataformas de átomos de Rydberg, no lograron capturar algunas de las particularidades centrales del montaje experimental y, por tanto, podrían haber sido comparados de manera incorrecta.
Basándose en investigaciones previas, Mauron y sus colegas se propusieron simular un líquido cuántico de espín utilizando un simulador basado en átomos de Rydberg. El enfoque empleado, al igual que otras técnicas de simulación numérica utilizadas en el pasado, se basa en la parametrización del estado cuántico que se está estudiando.
Innovaciones en la Simulación Cuántica
En lugar de aprender las probabilidades de cada estado posible (lo que, para un sistema de N espines, equivale a 2N estados), el equipo codificó el estado cuántico con unos pocos parámetros que aprenden las características del mismo. «En nuestro caso específico, el ingrediente clave fue codificar directamente las correlaciones dentro de la función de onda», explicó Mauron. Esta es una ventaja en comparación con muchos métodos estándar utilizados para tales simulaciones, que típicamente enfrentan dificultades cuando la entrelazación (correlaciones cuánticas) aumenta.
Los investigadores utilizaron un esquema numérico ampliamente utilizado para simular la evolución del estado cuántico a lo largo del tiempo. Notablemente, el esquema conocido como el método de Monte Carlo variacional dependiente del tiempo (t-VMC) no requiere la aproximación del tamaño del sistema, la forma de su red o su evolución temporal.
«Demostramos la capacidad de nuestro enfoque para simular fielmente un protocolo experimental en un simulador de átomos de Rydberg, sin realizar ninguna aproximación, mientras que aún podemos escalar este esquema a tamaños de sistemas significativos», comentó Mauron. Como consecuencia directa, su estudio permite extraer conclusiones sobre las capacidades del protocolo simulado.
Mediante su estrategia de simulación numérica, los investigadores fueron capaces de predecir valores que no pueden derivarse en experimentos del mundo real, como la entropía de entrelazamiento topológico de un sistema cuántico. Esta es una cantidad importante que puede ayudar a discernir entre un verdadero estado cuántico topológico y un estado cuántico desordenado que no está topológicamente ordenado.
En el futuro, el enfoque propuesto podría ser adaptado y utilizado por otros equipos de investigación para simular estados de líquidos cuánticos de espín y arrojar más luz sobre sus dinámicas subyacentes. «Ahora nos estamos centrando en la capacidad de simular dispositivos cuánticos adicionales y protocolos utilizando técnicas similares», añadió Mauron. «También estamos investigando más a fondo las características del estado preparado a través del protocolo descrito aquí».
Este artículo ha sido redactado por nuestra autora Ingrid Fadelli, editado por Lisa Lock, y verificado y revisado por Robert Egan. Este trabajo es el resultado de un esfuerzo humano cuidadoso. Confiamos en lectores como usted para mantener el periodismo científico independiente.
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Linda Mauron et al, Predicting topological entanglement entropy in a Rydberg analogue simulator, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-02944-3
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