Crean cristal de tiempo con orden topológico para computación cuántica

Científicos crean un cristal de tiempo en un procesador cuántico.

La idea de un material que puede romper la simetría temporal parecía, hasta hace poco, pura ciencia ficción.

Sin embargo, un grupo de científicos ha logrado lo que parecía imposible: la creación de un cristal de tiempo estable en un procesador cuántico.

Se trata de un logro que podría transformar la computación cuántica y nuestra comprensión de las fases de la materia.

El equipo internacional de investigadores describe cómo utilizaron qubits superconductores para generar este sistema exótico.

Lo innovador de este trabajo es la combinación del orden topológico, conocido por su robustez frente a perturbaciones, con las oscilaciones temporales discretas de los cristales de tiempo. 

El concepto de cristal de tiempo, introducido en 2012 por el físico Frank Wilczek, propone un sistema que repite su estado en el tiempo sin consumir energía.

Este fenómeno, que rompe la simetría temporal discreta, no puede darse en sistemas en equilibrio térmico.

Por ello, es necesario recurrir a sistemas cuánticos fuera de equilibrio, como los impulsados periódicamente.

En este experimento, los científicos usaron un procesador cuántico con qubits superconductores organizados en una red bidimensional, es decir, dispuestos como un tablero de ajedrez.

Para lograr el cristal de tiempo, aplicaron una serie de impulsos periódicos, diseñados con precisión, que hicieron que el sistema oscilara de manera regular en el tiempo.

Estas oscilaciones, sorprendentemente estables, confirmaron que habían creado un cristal de tiempo en estas condiciones experimentales.

El orden topológico es una propiedad de ciertas fases de la materia que no puede describirse con parámetros tradicionales, como la magnetización o la densidad.

Es bastante contraintuitivo.

Se define por cómo las partículas cuánticas de un sistema están entrelazadas a larga distancia.

Este entrelazamiento implica que los estados del sistema están interconectados de manera global, de forma que no pueden alterarse fácilmente observando o cambiando una sola parte del sistema.

Una de las características más interesantes del orden topológico es su robustez frente a perturbaciones externas.

A diferencia de otras propiedades que pueden ser fácilmente afectadas por factores como el calor o las vibraciones, el orden topológico se mantiene estable gracias a su naturaleza global.

Esto lo hace especialmente útil en aplicaciones como la computación cuántica, donde la resistencia a errores y perturbaciones es crucial para mantener la información intacta.

Cuando este orden se combina con las propiedades de los cristales de tiempo, el resultado es un sistema cuántico extraordinariamente estable.

Los investigadores observaron que las oscilaciones temporales ocurrían únicamente en operadores lógicos no locales, un comportamiento imposible en sistemas sin orden topológico.

En el artículo, se describe cómo este fenómeno “difiere drásticamente de los cristales de tiempo convencionales, donde los observables locales muestran la ruptura de simetría temporal“​.

El cristal de tiempo fue creado en un procesador cuántico con 18 qubits superconductores, dispuestos en una matriz bidimensional.

Este diseño permitió implementar un modelo de código de superficie mediante un circuito cuántico optimizado que incluyó más de 3700 puertas lógicas.

Los qubits son la unidad básica de información en la computación cuántica, equivalentes a los bits en la computación clásica, pero con propiedades diferentes.

Mientras que un bit clásico puede representar un valor de 0 o 1, un qubit puede estar en un estado de 0, 1 o una superposición de ambos al mismo tiempo.

Esta superposición permite que los qubits realicen múltiples cálculos simultáneamente, proporcionando un enorme potencial de procesamiento.

Por otra parte, los qubits pueden entrelazarse, lo que significa que el estado de un qubit está correlacionado con el de otro, incluso si están físicamente separados.

Estas propiedades, la superposición y el entrelazamiento, son fundamentales para la velocidad y potencia de los computadores cuánticos, que podrían resolver problemas complejos de manera mucho más eficiente que los computadores tradicionales.

Los resultados experimentales mostraron:

Altas fidelidades en las puertas lógicas, alcanzando niveles superiores al 99,9 % en qubits individuales.
Oscilaciones pretermales estables, que permanecieron visibles durante 20 ciclos de prueba, mucho más tiempo que los límites habituales en sistemas cuánticos.
También se midió la entropía de entrelazamiento topológico, una métrica clave que mostró valores consistentes con las predicciones teóricas.

Estos resultados confirman la existencia del cristal de tiempo y su conexión directa con el orden topológico.

Los cristales de tiempo topológicamente ordenados ofrecen un nuevo camino para superar algunos de los mayores retos de la computación cuántica, como la corrección de errores y la decoherencia.

Su capacidad para mantener estados coherentes en el tiempo los convierte en herramientas potencialmente revolucionarias para el almacenamiento y procesamiento de información cuántica.

Este experimento incluso demuestra que los procesadores cuánticos pueden ser utilizados como plataformas para investigar nuevas fases de la materia.

Esto podría impulsar avances no solo en computación, sino también en el diseño de materiales cuánticos con propiedades únicas.

Aunque este trabajo es un gran avance, hay que mostrarse cauteloso.

Los sistemas actuales todavía tienen limitaciones.

La duración de la fase pretermal no es infinita, y escalar el número de qubits introduce complejidad adicional.

Según los autores, futuras investigaciones explorarán variantes más complejas de cristales de tiempo, como aquellos que involucren aniones no abelianos, partículas cuánticas exóticas que podrían revolucionar la computación cuántica topológica.

Fuente: Nature communications