Un equipo de la Universidad de Granada (UGR) ha desarrollado una técnica matemática capaz de optimizar con una sola operación el transporte de energía e información en sistemas cuánticos complejos. El método reduce de forma drástica el coste computacional de estudiar estas redes y abre nuevas posibilidades para el diseño de futuras tecnologías cuánticas.
El transporte cuántico describe cómo se mueve la energía o la información a escalas microscópicas y constituye uno de los fenómenos fundamentales para comprender el comportamiento de los sistemas cuánticos. También tiene una importancia directa en el desarrollo de tecnologías capaces de aprovechar las propiedades de la física cuántica.
El problema es que optimizar el transporte en una red cuántica compleja requiere normalmente explorar un número enorme de configuraciones. Hasta ahora, encontrar las interacciones que permiten transportar energía o información de la forma más eficiente podía exigir procedimientos de optimización con un elevado coste computacional.
Una nueva forma de optimizar una red cuántica
El equipo liderado por investigadores del Grupo de Termodinámica y Computación Cuántica del Departamento de Electromagnetismo y Física de la Materia de la Universidad de Granada, junto con personal investigador del Instituto Carlos I de Física Teórica y Computacional y de la Universidad Carlos III de Madrid, ha desarrollado una técnica para abordar este problema de una manera mucho más eficiente.
El trabajo, publicado en Physical Review E, adapta al ámbito cuántico la denominada transformada de Doob. El resultado es un procedimiento que permite optimizar las propiedades de transporte de una red cuántica mediante una única operación matemática compleja, reduciendo considerablemente la capacidad computacional necesaria.
Esta reducción permite plantear el estudio de sistemas cuánticos de mayor complejidad, que hasta ahora podían resultar demasiado costosos de analizar mediante los métodos de optimización convencionales.
Convertir comportamientos poco probables en el funcionamiento habitual
La clave del nuevo método está en la posibilidad de modificar las interacciones internas de una red cuántica para transformar comportamientos excepcionalmente eficientes, que en condiciones normales serían muy poco probables, en el comportamiento habitual del sistema.
Dicho de una forma más sencilla, la técnica convierte configuraciones óptimas que antes aparecían como eventos raros en propiedades permanentes de la red.
Esta capacidad resulta especialmente relevante cuando se busca diseñar sistemas en los que la energía o la información se transporte de manera eficiente. En lugar de tener que localizar mediante un proceso de búsqueda las configuraciones más favorables entre miles de posibilidades, el nuevo enfoque permite obtenerlas mediante una transformación matemática.
Miles de sistemas cuánticos para comprobar el método
Los investigadores pusieron a prueba la técnica mediante el análisis de miles de sistemas cuánticos aleatorios. Los resultados mostraron que el 100 % de los sistemas modificados experimentó una mejora significativa en su eficiencia de transporte.
La optimización también se mantuvo cuando los investigadores introdujeron restricciones físicas estrictas. Según los resultados del estudio, esta respuesta demuestra la robustez y versatilidad del método y su capacidad para funcionar en condiciones más próximas a las que pueden encontrarse en sistemas físicos reales.
El análisis permitió además identificar una característica común entre las redes que alcanzaban los mejores niveles de transporte después de la optimización.
La centrosimetría aparece como una clave de la eficiencia
Las redes que conseguían los mejores resultados presentaban una propiedad estructural conocida como centrosimetría. Se trata de una característica que ya había sido relacionada en trabajos anteriores con una mayor eficiencia en la transferencia de energía.
El nuevo estudio aporta así otro elemento para comprender qué estructuras pueden favorecer el transporte eficiente en sistemas cuánticos complejos. La posibilidad de identificar y generar esas configuraciones mediante una transformación matemática ofrece una vía para estudiar con mayor facilidad la relación entre la estructura de una red y su capacidad para transportar energía o información.
Una herramienta para futuras tecnologías cuánticas
La investigación, firmada por Dolores Esteve, Carlos Pérez Espigares, Ricardo Gutiérrez y Daniel Manzano, proporciona una nueva herramienta matemática para el estudio y diseño de sistemas cuánticos complejos.
Su principal aportación no se limita a reducir el coste computacional de la optimización. El método permite también diseñar redes con propiedades de transporte previamente buscadas, lo que puede resultar útil para el desarrollo de dispositivos cuánticos más rápidos y eficientes.
Al mismo tiempo, la técnica abre nuevas posibilidades para estudiar sistemas que hasta ahora eran difíciles de abordar mediante métodos convencionales de optimización. De este modo, el trabajo de la Universidad de Granada amplía las herramientas disponibles para comprender, controlar y diseñar sistemas cuánticos complejos con vistas a futuras aplicaciones de las tecnologías cuánticas.
