Los físicos crean cristales de tiempo usando computadoras cuánticas

El chip Google Sycamore se utiliza para crear un cristal de tiempo. Crédito: Google Quantum AI

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 prototipos actuales aún pueden lograr hazañas impresionantes.


Por ejemplo, creando 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 más importante es que lo hace infinitamente y sin ningún otro aporte de energía, como un reloj que funciona para siempre sin pilas. La búsqueda de esta etapa de la materia ha sido un desafío de larga data en teoría y experimento, uno que finalmente está dando sus frutos.

En un artículo publicado el 30 de noviembre en naturaleza temperamental, un equipo de científicos de la Universidad de Stanford, Google Quantum Eye, el Instituto Max Planck para la Física de Sistemas Complejos y la Universidad de Oxford detallaron la creación de un cristal de tiempo utilizando hardware de computación cuántica Google Sycamore.

dijo Matteo Ippolitti, investigador postdoctoral de la Universidad de Stanford y coautor principal del trabajo. “En lugar de computación, ponemos la computadora a trabajar como una nueva plataforma experimental para percibir y descubrir nuevas fases de la materia”.

Para el equipo, la emoción de sus logros radica no solo en la creación de una nueva fase de la materia, sino en la apertura de oportunidades para explorar nuevos sistemas en el campo de la física de la materia condensada, que estudia nuevos fenómenos y propiedades provocadas por las interacciones colectivas de muchos. cosas en el sistema. (Tales interacciones pueden ser mucho más ricas que las propiedades de los organismos individuales).

“Los cristales de tiempo son un claro ejemplo de un nuevo tipo de fase cuántica de la materia que no está en equilibrio”, dijo Vidika Khemani, profesor asistente de física en la Universidad de Stanford y autor principal del artículo de investigación. “Si bien gran parte de nuestra comprensión de la física de la materia condensada depende de los sistemas de equilibrio, estos nuevos dispositivos cuánticos nos brindan una ventana fascinante hacia nuevos sistemas de no equilibrio en la física multicuerpo”.

Qué tiempo tan cristalino y qué no

Los ingredientes básicos para hacer un cristal esta vez son los siguientes: el equivalente físico de una mosca de la fruta y algo para darle un impulso. Drosophila en 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 ocupa cada posición de partícula, que puede estar en dos estados, representados como giro o hacia abajo.

Durante sus años de posgrado, Khimani, su asesor de doctorado Shivaji Sundi, entonces en la Universidad de Princeton, y Achilleas Lazarides y Rodrich Mosner en el Instituto Max Planck para la Física de Sistemas Complejos, sin darse cuenta, tropezaron con esta receta para hacer cristales de tiempo. Estaban estudiando los sistemas posicionales de no equilibrio de muchos cuerpos, sistemas en los que las partículas se “pegan” en el estado en el que comenzaron y nunca pueden relajarse en el estado de equilibrio. Estaban interesados ​​en explorar las fases que podrían desarrollarse en tales sistemas cuando son “pateados” periódicamente por el láser. No solo pudieron encontrar fases estables que no estaban en equilibrio, sino que encontraron una en la que el giro de la partícula cambiaba entre patrones que se repiten en el tiempo para siempre, dos veces más que el comando del láser, creando un cristal de tiempo.

El movimiento periódico del láser establece un ritmo específico de dinámica. Normalmente el “baile” de los devanados debe coincidir con este ritmo, pero al mismo tiempo no se produce ninguna cristalización. En cambio, cambia entre dos estados, completando el ciclo solo después de que el láser lo ha pateado dos veces. Esto significa que el sistemaConsistencia de traducción de tiempoDiscapacitado. Las simetrías juegan un papel fundamental en la física y, a menudo, se rompen, lo que explica el origen de los cristales, imanes y muchos otros fenómenos ordinarios; sin embargo, la simetría de traslación del tiempo se destaca porque, a diferencia de otras simetrías, no se puede romper. equilibrio: la patada periódica es una laguna que hace que los cristales de tiempo sean posibles.

Duplicar el período de oscilación es inusual, pero no sin precedentes. Las oscilaciones de larga duración también son muy comunes en la dinámica cuántica de pocos sistemas de partículas. Lo que hace que un cristal de tiempo sea único es que es un sistema de millones de cosas que exhiben este tipo de comportamiento coordinado sin que entre o salga energía.

“Es una fase completamente robusta de la materia, en la que no se sintonizan parámetros o estados, pero su sistema sigue siendo cuántico”, dijo Sundy, profesor de física en Oxford y coautor del artículo de investigación. “No hay alimentación de energía, no hay drenaje de energía y dura para siempre e involucra muchas partículas altamente reactivas”.

Si bien esto puede parecer sospechosamente cercano a una “máquina de movimiento perpetuo”, una mirada más cercana revela que los cristales de tiempo no rompen ninguna ley física. La entropía, una medida del desorden en un sistema, permanece constante en el tiempo, satisfaciendo marginalmente la segunda ley de la termodinámica a través de la no disminución.

Entre el desarrollo de este plan para un cristal de tiempo y el experimento de la computadora cuántica que le dio vida, los experimentos de muchos equipos diferentes de investigadores lograron muchos hitos cristalinos aproximadamente en ese tiempo. Sin embargo, proporcionar todos los ingredientes en la receta de la “localización de múltiples cuerpos” (el fenómeno que permite una cristalización en el tiempo infinitamente constante) sigue siendo un gran desafío.

Para Khemani y sus colaboradores, el paso final para lograr el éxito de Crystal fue trabajar con un equipo en Google Quantum AI. Juntos, este grupo usó Sycamore de Google Estadística cuantitativa Hardware para programar 20 “spins” utilizando la versión cuántica de los bits de información de una computadora clásica, conocidos como qubits.

Revelando cuánto interés hay actualmente en los cristales de tiempo, los cristales se desplegaron una vez más en Ciencias Este mes. Este cristal fue creado usando qubits dentro del diamante por investigadores de la Universidad Tecnológica de Delft en los Países Bajos.

Posibilidades cuánticas

Los investigadores pudieron confirmar su afirmación de un cristal en tiempo real gracias a las capacidades especiales de una computadora cuántica. Aunque el tamaño finito y el tiempo de coherencia del dispositivo cuántico (imperfecto) significa que su experimento fue limitado en tamaño y duración, de modo que las oscilaciones de cristal solo se pueden observar durante unos pocos cientos de ciclos en lugar de indefinidamente, los investigadores han ideado diferentes protocolos para evaluar la estabilidad de su creación. Estos incluyeron ejecutar la simulación hacia adelante y hacia atrás en el tiempo y escalarla.

“Hemos utilizado con éxito la diversidad de una computadora cuántica para ayudarnos a analizar sus límites”, dijo Moessner, coautor de la investigación y director del Instituto Max Planck para la Física de Sistemas Complejos. “Básicamente, nos dijo cómo corregir sus errores, de modo que la huella dactilar del comportamiento perfecto del cristal de tiempo se pueda verificar con observaciones de tiempo limitado”.

La principal firma de un cristal de tiempo ideal es que exhibe vibraciones inespecíficas de todos los estados. Verificar este poder en la selección de estados ha sido un gran desafío experimental, y los investigadores han ideado un protocolo para examinar más de un millón de estados de cristales de tiempo en un solo ciclo del dispositivo, requiriendo meros milisegundos de tiempo de ejecución. Es como ver un cristal físico desde muchos ángulos para comprobar su estructura repetitiva.

“La característica única de nuestro procesador cuántico es su capacidad para crear estados cuánticos altamente complejos”, dijo Xiao Mei, investigador de Google y coautor principal del artículo de investigación. “Estos estados permiten que las estructuras de fase del material se investiguen de manera efectiva sin tener que investigar todo el espacio computacional, una tarea que de otro modo sería intratable”.

La creación de una nueva fase de la materia es indudablemente emocionante en un nivel fundamental. Además, el hecho de que estos investigadores hayan podido hacer esto indica la creciente utilidad de las computadoras cuánticas para aplicaciones distintas de la informática. “Soy optimista de que con más y mejores qubits, nuestro enfoque podría convertirse en un método importante para estudiar la dinámica del desequilibrio”, dijo Pedram Roshan, investigador de Google y autor principal del artículo.

“Creemos que el uso más interesante de las computadoras cuánticas 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 descubra algunos fenómenos nuevos que no hubiera esperado”.


Usando nuevas arquitecturas de computación cuántica para crear cristales de tiempo


más información:
Mi, X et al., Disposición de estado propio de cristalización en el tiempo en un procesador cuántico, naturaleza temperamental (2021). doi.org/10.1038/s41586-021-04257-w

Introducción de
Universidad Stanford

La frase: Physicists Make Time Crystals Using Quantum Computers (2021, 30 de noviembre) Recuperado el 30 de noviembre de 2021 de https://phys.org/news/2021-11-physicists-crystals-quantum.html

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