Con el fin de determinar la velocidad a la que pueden operar las tecnologías cuánticas en última instancia, físicos han establecido el concepto de "límites de velocidad cuántica."
Los límites de velocidad cuántica imponen limitaciones a la rapidez con que un sistema cuántico puede hacer la transición de un estado a otro, de forma que tal transición requiera una cantidad mínima de tiempo (típicamente del orden de nanosegundos). Esto significa, por ejemplo, que un futuro ordenador cuántico no será capaz de realizar cálculos más rápido que un límite de tiempo definido por esos límites.
Aunque los físicos han estado investigando diferentes límites de velocidad para diferentes tipos de sistemas cuánticos, no ha estado claro cuál es la mejor manera de hacer esto, o cuántos límites diferentes hay de velocidad cuántica.
Ahora, en un nuevo artículo publicado en Physical Review X, Diego Pires Paiva y otros científicos de Reino Unido y Brasil, han usado técnicas de geometría de la información para mostrar que hay un número infinito de límites de velocidad cuántica. También desarrollan una manera de determinar cuáles de esos límites de velocidad son los más estrictos, o en otras palabras, los límites de velocidad que ofrecen los más estrechos límites inferiores. Como explican los investigadores, la búsqueda de un límite definitivo a la velocidad cuántica está relacionada con la naturaleza del tiempo mismo.
"En los últimos años se ha producido una intensa actividad de investigación teórica y experimental para entender, por un lado, un concepto fundamental en la mecánica cuántica tal como el tiempo, y por otro lado, esquemas eficientes para la aplicación de las tecnologías cuánticas", dijo a Phys.org Gerardo Adesso, de la Universidad de Nottingham, couator del trabajo.
"Una cuestión básica que sustenta las dos dos áreas de investigación es:"¿Con qué rápidez puede un sistema cuántico evolucionar en el tiempo?. Establecer límites generales y ajustados de velocidad cuántica es crucial para evaluar en última instancia la rápidez con que pueden operar las tecnologías cuánticas, y por lo tanto pueden servir de guía en el diseño de protocolos más eficientes que operen en, o cerca de los límites finales ".
Con el fin de determinar lo rápido que un sistema cuántico puede evolucionar de un estado a otro, es preciso distinguir entre los dos estados, y hay varias maneras de hacer esto. En el nuevo estudio, los físicos usan un método general basado en geometría de la información. Desde un punto de vista geométrico, dos estados distinguibles pueden ser representados por dos elementos en la superficie de determinadas formas, tales como una esfera u otra variedad. Investigaciones anteriores muestran que hay un número infinito de métricas correspondientes que se pueden utilizar para medir la posibilidad de distinguir los dos estados cuánticos.
En el nuevo estudio, los físicos han demostrado que cada una de estas métricas se corresponde con un límite de velocidad cuántica diferente. El límite "más estricto" de velocidad cuántica está determinado por el parámetro que permite la distancia más corta (también conocida como 'geodésica') entre dos puntos o estados, medida a lo largo de la superficie curva de la forma geométrica.
"Un límite de velocidad cuántica diferente surge de cada una de estas métricas, de tal manera que la más ajustada para una dinámica dada es especificada por la métrica cuya geodésica está mejor adaptada a la trayectoria dinámica dada", explicó el coautor Marco Cianciaruso, también de Nottingham.
En general, el nuevo enfoque unifica la mayoría de los resultados anteriores mediante la interpretación de ellos en un solo nuevo marco. Por un lado, los investigadores podrían derivar los límites más estrechos hasta la fecha sobre los límites de velocidad cuántica para algunos casos relevantes, tales como bits cuánticos sometidos a evoluciones disipativas. Por otra parte, podrían mostrar que los límites previamente propuestos por otros casos son realmente los límites óptimos, y que no se pueden encontrar límites más estrechos.
En el futuro, los investigadores investigarán experimentalmente los límites de velocidad cuántica derivados aquí usando técnicas de resonancia magnética nuclear (RMN).
"Se espera que nuestros hallazgos tengan influencia en el campo de la información cuántica, la computación, la simulación y la metrología", dijo Diogo Soares-Pinto, del Instituto de Física Carlos de São, que supervisó el proyecto.
