Cristales de tiempo creados y observados en una computadora cuántica
Un equipo internacional de científicos ha reportado en la revista Nature la creación de un cristal de tiempo utilizando el hardware de computación cuántica Sycamore de Google.
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. Mientras que formidables obstáculos tecnológicos todavía se interponen en el camino de la creación de una computadora cuántica de este tipo, los primeros prototipos de hoy ya 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 eternamente sin pilas.
La búsqueda para realizar esta fase de la materia ha sido un desafío en la teoría y el experimento, uno que ahora finalmente se ha hecho realidad por 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.
"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 en un comunicado Matteo Ippoliti, investigador postdoctoral en Stanford y coautor principal del trabajo. "En lugar de 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 vieja herramienta 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 espín 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 sin equilibrio, sistemas en los que 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 espines debería sincronizarse con este ritmo, pero en un cristal de tiempo no es así. En cambio, los espines cambian entre dos estados, completando un ciclo solo después de ser pateados por el láser dos veces. Esto significa que la "simetría de traslación temporal" del sistema está rota. Las simetrías juegan un papel fundamental en la física y, a menudo, se rompen, lo que explica el origen 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 se ajustan los parámetros o estados, pero su 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".
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 'espines' utilizando la versión cuántica de los bits de información de una computadora clásica, conocidos como qubits.
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