Crean una nueva fase de la materia, conocida como cristal de tiempo, con ayuda de computadoras cuánticas

Un equipo de investigadores, incluidos los de Stanford y Google, ha creado y observado una nueva fase de la materia, conocida popularmente como cristal del tiempo.

Existe un enorme esfuerzo global para diseñar una computadora capaz de aprovechar el poder de la física cuántica para realizar cálculos de una complejidad sin precedentes.

Si bien todavía se interponen formidables obstáculos tecnológicos en el camino para crear una computadora cuántica de este tipo, los primeros prototipos de hoy en día son capaces de realizar hazañas notables.

Por ejemplo, la creación de una nueva fase de la materia llamada “cristal del tiempo“.

Así como la estructura de un cristal se repite en el espacio, un cristal de tiempo se repite en el tiempo y, lo que es más importante, lo hace infinitamente y sin ningún aporte adicional de energía, como un reloj que funciona para siempre sin pilas.

La búsqueda para realizar esta fase de la materia ha sido un desafío de larga data en la teoría y el experimento, uno que ahora finalmente se ha hecho realidad.

En su investigación un equipo de científicos de la Universidad de Stanford, Google Quantum AI, el Instituto Max Planck de Física de Sistemas Complejos y la Universidad de Oxford detallan la creación de un cristal de tiempo utilizando el hardware de computación cuántica Sycamore de Google.

“El panorama general es que estamos tomando los dispositivos que están destinados a ser las computadoras cuánticas del futuro y pensamos en ellos como sistemas cuánticos complejos por derecho propio“, dijo Matteo Ippoliti, becario postdoctoral en Stanford y coautor principal del trabajo.

“En lugar de la computación, estamos poniendo la computadora a trabajar como una nueva plataforma experimental para realizar y detectar nuevas fases de la materia“.

Para el equipo, la emoción de su logro radica no solo en la creación de una nueva fase de la materia, sino en la apertura de oportunidades para explorar nuevos regímenes en su campo de la física de la materia condensada, que estudia los nuevos fenómenos y propiedades provocados por las interacciones colectivas de muchos objetos en un sistema.

(Tales interacciones pueden ser mucho más ricas que las propiedades de los objetos individuales).

“Los cristales de tiempo son un ejemplo sorprendente de un nuevo tipo de fase cuántica de la materia que no está en equilibrio”, dijo Vedika Khemani, profesora asistente de física en Stanford y autora principal del artículo.

“Si bien gran parte de nuestra comprensión de la física de la materia condensada se basa en sistemas de equilibrio, estos nuevos dispositivos cuánticos nos brindan una ventana fascinante hacia nuevos regímenes de no equilibrio en la física de muchos cuerpos“.

Los ingredientes básicos para hacer este cristal de tiempo son los siguientes:

El equivalente físico de una mosca de la fruta y algo para darle una patada.

La mosca de la fruta de la física es el modelo de Ising, una herramienta de larga data para comprender varios fenómenos físicos, incluidas las transiciones de fase y el magnetismo, que consiste en una red donde cada sitio está ocupado por una partícula que puede estar en dos estados, representada como un giro hacia arriba o hacia abajo.

Durante sus años de posgrado, Khemani, su asesor de doctorado Shivaji Sondhi, entonces en la Universidad de Princeton, y Achilleas Lazarides y Roderich Moessner en el Instituto Max Planck de Física de Sistemas Complejos tropezaron con esta receta para hacer cristales de tiempo sin querer.

Estaban estudiando sistemas localizados de muchos cuerpos que no están en equilibrio, sistemas donde las partículas se “atascan” en el estado en el que comenzaron y nunca pueden relajarse hasta un estado de equilibrio.

Estaban interesados ​​en explorar las fases que podrían desarrollarse en tales sistemas cuando periódicamente son “pateados” por un láser.

No solo lograron encontrar fases estables de no equilibrio, sino que encontraron una en la que los giros de las partículas cambiaban entre patrones que se repiten en el tiempo para siempre, en un período dos veces mayor que el período de activación del láser, creando así un cristal de tiempo.

La patada periódica del láser establece un ritmo específico a la dinámica.

Normalmente, el “baile” de los giros debería sincronizarse con este ritmo, pero en un cristal de tiempo no es así.

En cambio, los giros cambian entre dos estados, completando un ciclo solo después de ser pateados por el láser dos veces.

Esto significa que la “simetría de translación del tiempo” del sistema está rota.

Las simetrías juegan un papel fundamental en la física y, a menudo, se rompen, lo que explica los orígenes de los cristales regulares, los imanes y muchos otros fenómenos; sin embargo, la simetría de traslación del tiempo se destaca porque, a diferencia de otras simetrías, no se puede romper en equilibrio.

La patada periódica es una laguna que hace posibles los cristales de tiempo.

La duplicación del período de oscilación es inusual, pero no sin precedentes.

Y las oscilaciones de larga duración también son muy comunes en la dinámica cuántica de los sistemas de pocas partículas.

Lo que hace que un cristal de tiempo sea único es que es un sistema de millones de cosas que muestran este tipo de comportamiento concertado sin que entre o salga energía.

“Es una fase de la materia completamente robusta, en la que no estás ajustando parámetros o estados, pero tu sistema sigue siendo cuántico“, dijo Sondhi, profesor de física en Oxford y coautor del artículo.

“No hay suministro de energía, no hay drenaje de energía, y continúa para siempre e involucra muchas partículas que interactúan fuertemente“.

Si bien esto puede parecer sospechosamente parecido a una “máquina de movimiento perpetuo”, una mirada más cercana revela que los cristales de tiempo no rompen ninguna ley de la física.

La entropía, una medida del desorden en el sistema, permanece estacionaria en el tiempo, satisfaciendo marginalmente la segunda ley de la termodinámica al no disminuir.

Entre el desarrollo de este plan para un cristal de tiempo y el experimento de la computadora cuántica que lo llevó a la realidad, muchos experimentos de diferentes equipos de investigadores lograron varios hitos casi de cristal de tiempo.

Sin embargo, proporcionar todos los ingredientes en la receta para la “localización de muchos cuerpos” (el fenómeno que permite un cristal de tiempo infinitamente estable) había seguido siendo un desafío sobresaliente.

Para Khemani y sus colaboradores, el paso final para medir el éxito del cristal fue trabajar con un equipo en Google Quantum AI.

Juntos, este grupo utilizó el hardware de computación cuántica Sycamore de Google para programar 20 “giros” utilizando la versión cuántica de los bits de información de una computadora clásica, conocidos como qubits.

Revelando cuán intenso es el interés en los cristales de tiempo actualmente, se publicó otro cristal de tiempo en Science este mes.

Ese cristal fue creado usando qubits dentro de un diamante por investigadores de la Universidad Tecnológica de Delft en los Países Bajos.

Los investigadores pudieron confirmar su afirmación de un cristal de tiempo real gracias a las capacidades especiales de la computadora cuántica.

Aunque el tamaño finito y el tiempo de coherencia del dispositivo cuántico (imperfecto) significaba que su experimento era limitado en tamaño y duración, de modo que las oscilaciones de cristal de tiempo solo podían observarse durante unos pocos cientos de ciclos en lugar de indefinidamente, los investigadores idearon varios protocolos para evaluar la estabilidad de su creación.

Estos incluyeron ejecutar la simulación hacia adelante y hacia atrás en el tiempo y escalar su tamaño.

“Hemos logrado utilizar la versatilidad del computador cuántico para ayudarnos a analizar sus propias limitaciones”, dijo Moessner, co-autor del artículo y director del Instituto Max Planck para la Física de Sistemas Complejos.

“En esencia, nos dijo cómo corregir para sus propios errores, por lo que la huella digital del comportamiento ideal en tiempo cristalina se pudo determinar a partir de observaciones en tiempo finito.”

Una firma clave de un cristal tiempo ideal es que muestra las oscilaciones de todos los estados indefinidos.

Verificación de esta robustez a la elección de los estados era un desafío experimental clave, y los investigadores diseñaron un protocolo para investigar más de un millón estados de su cristal del tiempo en un solo recorrido de la máquina, lo que requiere tan sólo milisegundos de tiempo de ejecución.

Esto es como un cristal de visión física de muchos ángulos para verificar su estructura repetitiva.

“Una característica única de nuestro procesador cuántico es su capacidad para crear estados cuánticos de alta complejidad”, dijo Xiao Mi, un investigador de Google y co-autor principal del artículo.

“Estos estados permiten que las estructuras de fase de la materia a ser verificados de manera efectiva sin necesidad de investigar todo el espacio computacional, una tarea que es intratable.”

La creación de una nueva fase de la materia es, sin duda, apasionante en un nivel fundamental.

Además, el hecho de que estos investigadores fueron capaces de hacerlo apunta a la creciente utilidad de los computadores cuánticos para aplicaciones que no sean de cálculo.

“Soy optimista de que con más y mejores qubits, nuestro enfoque puede convertirse en un método principal en el estudio de la dinámica de no equilibrio”, dijo Pedram Roushan, investigador de Google y autor principal del artículo.

“Pensamos que el uso más emocionante para los computadores cuánticos en este momento es como plataformas para física cuántica fundamentales”, dijo Ippoliti.

“Con las capacidades únicas de estos sistemas, hay esperanza de que es posible descubrir un nuevo fenómeno que no se había predicho.”

Fuente: Nature