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| Foto de Michael Dziedzic en Unsplash |
El físico de la Universidad de Berkeley Norman Yao describió por primera vez hace cinco años cómo fabricar un cristal de tiempo, una nueva forma de materia cuyos patrones se repiten en el tiempo en lugar de en el espacio. Sin embargo, a diferencia de los cristales de esmeralda o rubí, esos cristales de tiempo solo existían durante una fracción de segundo.
Pero ha llegado el momento de los cristales de tiempo. Desde la propuesta original de Yao, nuevos conocimientos han permitido descubrir que los cristales de tiempo se presentan en muchas maneras diferentes, cada una de ellas estabilizada por su propio mecanismo.
Utilizando nuevas arquitecturas de computación cuántica, varios laboratorios se han acercado a la creación de una versión localizada de muchos cuerpos de un cristal de tiempo, que utiliza el desorden para mantener los qubits cuánticos accionados periódicamente en un estado continuo de sacudida subarmónica: los qubits oscilan, sin embargo solo cada dos períodos del accionamiento.
En un artículo publicado en la revista Science la semana pasada, Yao y sus colegas de QuTech informaron de la creación de un cristal de tiempo discreto localizado de muchos cuerpos que duraba unos ocho segundos, correspondientes a 800 períodos de oscilación. Emplearon un ordenador cuántico basado en un diamante, donde los qubits -bits cuánticos, el análogo de los bits binarios en los ordenadores digitales- son los espines nucleares de los átomos de carbono-13 incrustados en el interior del diamante.
"Aunque un cristal de tiempo perfectamente aislado puede, en principio, vivir para siempre, cualquier implementación experimental real decaerá debido a las interacciones con el entorno", afirma Joe Randall, de QuTech. "Alargar aún más la vida útil es la siguiente frontera".
Los resultados, publicados por primera vez este verano en arXiv, fueron replicados en un experimento casi simultáneo por investigadores de Google, Stanford y Princeton, utilizando el ordenador cuántico superconductor de Google, Sycamore. Esa demostración empleó 20 qubits hechos de tiras de aluminio superconductoras y duró unas ocho décimas de segundo. Tanto los cristales de tiempo de Google como los de QuTech se denominan fases Floquet de la materia, que son un tipo de material no equilibrado.
"Es muy emocionante que se produzcan simultáneamente múltiples avances experimentales", afirma Tim Taminiau, investigador principal de QuTech. "Todas estas plataformas diferentes se complementan entre sí. El experimento de Google utiliza dos veces más qubits; nuestro cristal de tiempo vive unas 10 veces más".
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| Impresión artística de un cristal de tiempo discreto compuesto por nueve qubits representados por los espines nucleares de nueve átomos de carbono-13 en el diamante. La cadena de espines conectados está bloqueada en una fase en la que invierten periódicamente sus estados. Crédito: Joe Randall y Tim Taminiau, cortesía de QuTech |
El equipo de Qutech manipuló los nueve qubits de carbono-13 de la manera adecuada para satisfacer los criterios para formar un cristal de tiempo localizado de muchos cuerpos.
"Un cristal de tiempo es quizá el ejemplo más sencillo de una fase de no equilibrio de la materia", afirma Yao, profesor asociado de física de la UC Berkeley. "El sistema QuTech está perfectamente preparado para explorar otros fenómenos fuera del equilibrio, incluyendo, por ejemplo, las fases topológicas de Floquet".
Estos resultados siguen la estela de otro avistamiento de cristales de tiempo, en el que también participó el grupo de Yao, publicado en Science hace varios meses. Allí, los investigadores observaron un llamado cristal de tiempo pretérmico, en el que las oscilaciones subarmónicas se estabilizan a través de la conducción de alta frecuencia.
Curiosamente, a diferencia del cristal de tiempo localizado de muchos cuerpos, que representa una fase Floquet innatamente cuántica, los cristales de tiempo pretérmicos pueden existir como fases cuánticas o clásicas de la materia.
Quedan muchas preguntas abiertas. ¿Existen aplicaciones prácticas para los cristales de tiempo? ¿Puede la disipación ayudar a prolongar la vida de un cristal de tiempo? Y, de forma más general, ¿cómo y cuándo se equilibran los sistemas cuánticos dirigidos? Los resultados presentados demuestran que los defectos de espín en los sólidos son una plataforma flexible para estudiar experimentalmente estas importantes cuestiones abiertas en la física estadística.
"La capacidad de aislar los espines de su entorno sin dejar de controlar sus interacciones ofrece una oportunidad increíble para estudiar cómo se preserva o se pierde la información", dijo el estudiante de posgrado de la UC Berkeley Francisco Machado.
Fuentes, créditos y referencias:
“Many-body-localized discrete time crystal with a programmable
spin-based quantum simulator” by J. Randall, C. E. Bradley, F. V. van
der Gronden, A. Galicia, M. H. Abobeih, M. Markham, D. J. Twitchen, F.
Machado, N. Y. Yao and T. H. Taminiau, 4 November 2021, Science.
DOI: 10.1126/science.abk0603