Un equipo internacional de investigadores liderado por científicos del IFISC (UIB-CSIC) ha publicado un trabajo en el que se propone un nuevo método para simular la dinámica de los sistemas cuánticos abiertos. La investigación, publicada en la revista Physical Review Letters, propone una nueva aproximación a los sistemas cuánticos abiertos markovianos a partir de la teoría de la física estadística y los modelos de colisión, abriendo la puerta a futuras simulaciones cuánticas que permitan comprender mejor su comportamiento.
En el campo de la física se distinguen dos tipos de sistemas: los abiertos y los cerrados. Por un lado, los sistemas cerrados se consideran aislados del resto del mundo y su evolución está determinada únicamente por su propia dinámica interna. Por otro lado, los sistemas abiertos permiten la interacción del propio sistema con el entorno, pero este intercambio de energía o información debe ser modelado. Esta distinción también se aplica a los sistemas cuánticos. Es precisamente esta interacción entre el entorno y el sistema lo que hace que los sistemas cuánticos abiertos sean más difíciles de trabajar debido a su naturaleza cuántica. Sin embargo, si el entorno no guarda memoria de la dinámica del sistema, éste puede modelizarse con una ecuación maestra markoviana bien conocida y definida.
El artículo publicado por los investigadores propone un nuevo modelo de colisión que aplica teorías conocidas de la física estadística a estos sistemas cuánticos abiertos para simular su interacción con el entorno. Es decir, dado un sistema cuántico dividido en varios subsistemas locales, su dinámica puede obtenerse haciendo que estos subsistemas interactúen con el entorno mediante varios "choques" pequeños y repetidos. El artículo muestra que este modelo es totalmente equivalente a la conocida ecuación maestra general. Además, también han demostrado que este modelo puede simularse de forma eficiente en un ordenador cuántico.
Este trabajo es un paso adelante para la simulación de cualquier tipo de red que modele sistemas cuánticos markovianos abiertos. Entre las dinámicas que pueden simularse eficientemente se encuentran, por ejemplo, los problemas de termodinámica cuántica, el transporte en sistemas abiertos complejos o la superradiancia.
Collision models can efficiently simulate any multipartite Markovian quantum dynamics. Cattaneo, Marco; De Chiara Gabriele; Maniscalco, Sabrina; Zambrini, Roberta and Giorgi, Gian Luca. Physical Review Letters 126, 130403 (1-8) (2021). DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.130403