El nuevo método permite mejorar de forma sistemática la eficiencia de redes cuánticas complejas y abre la puerta al estudio de sistemas hasta ahora inabordables

Un equipo de la Universidad de Granada ha desarrollado una técnica matemática capaz de optimizar el transporte de energía e información en sistemas cuánticos complejos mediante una única operación matemática. El avance reduce de forma drástica el coste computacional necesario para estudiar estos sistemas y podría acelerar el desarrollo de futuras tecnologías cuánticas. El transporte cuántico, responsable de cómo fluye la energía o la información a escalas microscópicas, es un fenómeno clave tanto para comprender algunos de los procesos más fundamentales de la física como para el desarrollo de estas tecnologías. Sin embargo, encontrar la forma más eficiente de transportar energía o información a través de redes cuánticas complejas suponía hasta ahora un enorme desafío computacional, ya que era necesario analizar miles de posibilidades mediante procedimientos de optimización muy costosos.

Un 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 nueva técnica matemática que permite resolver este problema de forma mucho más rápida y eficiente.

El trabajo, publicado en Physical Review E, adapta al ámbito cuántico la denominada transformada de Doob. Gracias a este enfoque, la optimización de las propiedades de transporte de una red cuántica puede realizarse mediante una única operación matemática compleja, reduciendo drásticamente la capacidad computacional necesaria y permitiendo abordar sistemas mucho más complejos que los estudiados hasta ahora.

La principal novedad del método consiste en que permite modificar las interacciones internas de la red para convertir comportamientos excepcionalmente eficientes, que normalmente serían muy poco probables, en el funcionamiento habitual del sistema. En otras palabras, la técnica transforma configuraciones óptimas que antes eran eventos raros en características permanentes de la red.

Los investigadores validaron su propuesta mediante el análisis de miles de sistemas cuánticos aleatorios. Los resultados mostraron que el 100 % de los sistemas modificados experimentó una mejora significativa de su eficiencia de transporte. Además, la optimización se mantuvo incluso cuando se impusieron restricciones físicas estrictas, lo que demuestra la robustez y versatilidad del método.

El estudio también revela que las redes que alcanzan los mejores niveles de transporte tras la optimización comparten una propiedad estructural conocida como centrosimetría, una característica que trabajos anteriores ya habían relacionado con una mayor eficiencia en la transferencia de energía.

La investigación, firmada por Dolores Esteve, Carlos Pérez Espigares, Ricardo Gutiérrez y Daniel Manzano, proporciona una nueva herramienta para el diseño de dispositivos cuánticos más rápidos y eficientes. Asimismo, ofrece nuevas posibilidades para comprender y controlar sistemas complejos que hasta ahora resultaban muy difíciles de estudiar mediante métodos de optimización convencionales, ampliando las capacidades disponibles para el desarrollo de aplicaciones cuánticas avanzadas.