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| El chip Sycamore de Google utilizado en la creación de un cristal de tiempo. Crédito: Google Quantum AI |
En una investigación publicada el 30 de noviembre en Nature, 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 su creación de un cristal del tiempo utilizando el hardware de computación cuántica Sycamore de Google.
Para el equipo, la emoción de su logro no sólo radica 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. (Estas 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 no equilibrada de la materia", afirma Vedika Khemani, profesora adjunta de física en Stanford y autora principal del artículo.
"Aunque gran parte de nuestra comprensión de la física de la materia condensada se basa en sistemas en equilibrio, estos nuevos dispositivos cuánticos nos proporcionan una ventana fascinante a nuevos regímenes de no equilibrio en la física de muchos cuerpos".
Qué es y qué no es un cristal de tiempo
Los ingredientes básicos para fabricar este cristal de tiempo son los siguientes: El equivalente de la física a una mosca de la fruta y algo que le dé un empujón. La mosca de la fruta de la física es el Modelo de Ising, una herramienta de larga data para entender varios fenómenos físicos -incluyendo 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, representados como un giro hacia arriba o hacia abajo.
Durante sus estudios de posgrado, Khemani, su asesor doctoral Shivaji Sondhi, entonces en la Universidad de Princeton, y Achilleas Lazarides y Roderich Moessner, del Instituto Max Planck de Física de Sistemas Complejos, dieron con esta receta para fabricar cristales de tiempo de forma no intencionada. Estaban estudiando sistemas localizados de muchos cuerpos que no están en equilibrio, es decir, sistemas en los que las partículas se quedan "atascadas" en el estado en el que empezaron y nunca pueden relajarse a un estado de equilibrio. Les interesaba explorar las fases que podrían desarrollarse en estos sistemas cuando son "pateados" periódicamente por un láser. No solo consiguieron encontrar fases estables de no-equilibrio, sino que encontraron una en la que los espines de las partículas cambiaban entre patrones que se repiten en el tiempo para siempre, a un periodo dos veces mayor que el periodo de conducción del láser, haciendo así un cristal de tiempo.
La patada periódica del láser establece un ritmo específico para la dinámica. Normalmente, la "danza" de los giros debería sincronizarse con este ritmo, pero en un cristal de tiempo no es así. En su lugar, los giros pasan de un estado a otro, completando un ciclo sólo después de haber sido pateados por el láser dos veces. Esto significa que se rompe la "simetría de traslación temporal" del sistema. Las simetrías desempeñan un papel fundamental en la física, y a menudo se rompen, explicando el origen de los cristales regulares, los imanes y muchos otros fenómenos; sin embargo, la simetría de traslación temporal destaca porque, a diferencia de otras simetrías, no puede romperse en equilibrio. La patada periódica es una laguna que hace posible los cristales de tiempo.
Aunque esto puede sonar sospechosamente parecido a una "máquina de movimiento perpetuo", un examen más detallado revela que los cristales de tiempo no rompen ninguna ley de la física. La entropía -una medida del desorden en el sistema- permanece estacionaria a lo largo del 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 hizo realidad, muchos experimentos realizados por muchos equipos diferentes de investigadores lograron varios hitos del cristal de casi tiempo. Sin embargo, proporcionar todos los ingredientes de la receta para la "localización de muchos cuerpos" (el fenómeno que permite un cristal de tiempo infinitamente estable) seguía siendo un reto pendiente.
Para Khemani y sus colaboradores, el último paso hacia el éxito del cristal de tiempo fue trabajar con un equipo de Google Quantum AI. 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 un ordenador clásico, conocidos como qubits.
Como muestra del gran interés que despiertan los cristales de tiempo, este mes se ha publicado en Science otro cristal de tiempo. Este cristal fue creado con qubits dentro de un diamante por investigadores de la Universidad Tecnológica de Delft (Países Bajos).
Oportunidades cuánticas
Los investigadores pudieron confirmar su afirmación de un verdadero cristal de tiempo gracias a las capacidades especiales del ordenador cuántico. Aunque el tamaño y el tiempo de coherencia finitos del dispositivo cuántico (imperfecto) limitaron el tamaño y la duración de su experimento -de modo que las oscilaciones del cristal de tiempo solo pudieron observarse durante unos cientos de ciclos y no de forma indefinida-, los investigadores idearon varios protocolos para evaluar la estabilidad de su creación. Entre ellos se encontraba la ejecución de la simulación hacia delante y hacia atrás en el tiempo y la ampliación de su tamaño.
"Conseguimos utilizar la versatilidad del ordenador cuántico para ayudarnos a analizar sus propias limitaciones", afirma Moessner, coautor del artículo y director del Instituto Max Planck de Física de Sistemas Complejos. "Esencialmente, nos dijo cómo corregir sus propios errores, de modo que la huella digital del comportamiento del cristal de tiempo ideal pudiera determinarse a partir de observaciones de tiempo finito".
Una firma clave de un cristal de tiempo ideal es que muestra oscilaciones indefinidas de todos los estados. Verificar esta robustez a la hora de elegir los estados era un reto experimental clave, y los investigadores idearon un protocolo para sondear más de un millón de estados de su cristal de tiempo en una sola ejecución de la máquina, que requiere apenas milisegundos de tiempo de ejecución. Esto es como ver un cristal físico desde muchos ángulos para verificar su estructura repetitiva.
"Una característica única de nuestro procesador cuántico es su capacidad para crear estados cuánticos muy complejos", afirma Xiao Mi, investigador de Google y coautor del artículo. "Estos estados permiten verificar eficazmente las estructuras de fase de la materia sin necesidad de investigar todo el espacio computacional, una tarea que de otro modo sería intratable".
La creación de una nueva fase de la materia es, sin duda, emocionante a nivel fundamental. Además, el hecho de que estos investigadores hayan sido capaces de hacerlo apunta a la creciente utilidad de los ordenadores cuánticos para aplicaciones distintas de la informática. "Soy optimista en cuanto a que, con más y mejores qubits, nuestro enfoque puede convertirse en un método principal para estudiar la dinámica de no-equilibrio", dijo Pedram Roushan, investigador de Google y autor principal del artículo.
"Creemos que el uso más interesante de los ordenadores cuánticos en este momento es como plataformas para la física cuántica fundamental", dijo Ippoliti. "Con las capacidades únicas de estos sistemas, existe la esperanza de que se pueda descubrir algún fenómeno nuevo que no se haya predicho".
Fuentes, créditos y referencias:
Mi, X et al,Time-Crystalline Eigenstate Order on a Quantum Processor, Nature (2021). doi.org/10.1038/s41586-021-04257-w
Fuente: Universidad de Stanford