Como una máquina de movimiento perpetuo, un cristal de tiempo cambia para siempre entre estados sin consumir energía. Los físicos afirman haber construido esta nueva fase de la materia dentro de una computadora cuántica.
por Natalie Wolchover
En una preimpresión publicada en línea el jueves por la noche, los investigadores de Google, en colaboración con físicos de Stanford, Princeton y otras universidades, dicen que han utilizado la computadora cuántica de Google para demostrar un verdadero “cristal de tiempo”. Además, un grupo de investigación independiente afirmó a principios de este mes haber creado un cristal de tiempo en un diamante.
Una fase novedosa de la materia que los físicos se han esforzado por realizar durante muchos años, un cristal de tiempo es un objeto cuyas partes se mueven en un ciclo regular y repetitivo, manteniendo este cambio constante sin quemar energía.
“La consecuencia es asombrosa: se evade la segunda ley de la termodinámica”, dijo Roderich Moessner , director del Instituto Max Planck de Física de Sistemas Complejos en Dresde, Alemania, y coautor del artículo de Google. Esa es la ley que dice que el desorden siempre aumenta.
Los cristales de tiempo también son los primeros objetos que rompen espontáneamente la “simetría de traslación del tiempo”, la regla habitual de que un objeto estable seguirá siendo el mismo a lo largo del tiempo. Un cristal de tiempo es estable y cambia constantemente, con momentos especiales que se producen a intervalos periódicos en el tiempo.
El cristal del tiempo es una nueva categoría de fases de la materia, ampliando la definición de lo que es una fase. Todas las demás fases conocidas, como el agua o el hielo, están en equilibrio térmico: sus átomos constituyentes se han asentado en el estado con la energía más baja permitida por la temperatura ambiente y sus propiedades no cambian con el tiempo. El cristal del tiempo es la primera fase de “desequilibrio”: tiene orden y estabilidad perfecta a pesar de estar en un estado excitado y en evolución.
“Este es este espacio completamente nuevo y emocionante en el que estamos trabajando ahora”, dijo Vedika Khemani , una física de materia condensada ahora en Stanford que co-descubrió la fase de novela mientras era una estudiante de posgrado y coautora del nuevo artículo. con el equipo de Google.
Khemani, Moessner, Shivaji Sondhi de Princeton y Achilleas Lazarides de la Universidad de Loughborough en el Reino Unido descubrieron la posibilidad de la fase y describieron sus propiedades clave en 2015; un grupo rival de físicos liderado por Chetan Nayak de Microsoft Station Q y la Universidad de California, Santa Bárbara lo identificó como un cristal del tiempo poco después.
Los investigadores se han apresurado a crear un cristal de tiempo durante los últimos cinco años, pero las demostraciones anteriores, aunque exitosas en sus propios términos, no han logrado satisfacer todos los criterios necesarios para establecer la existencia del cristal de tiempo. “Hay buenas razones para pensar que ninguno de esos experimentos tuvo un éxito total, y una computadora cuántica como la de Google estaría particularmente bien posicionada para hacerlo mucho mejor que esos experimentos anteriores”, dijo John Chalker , físico de materia condensada en la Universidad de Oxford que no participó en el nuevo trabajo.
El equipo de computación cuántica de Google fue noticia en 2019 cuando realizó el primer cálculo que se pensaba que las computadoras ordinarias no podían hacer en una cantidad de tiempo práctica. Sin embargo, esa tarea fue ideada para mostrar una aceleración y no tenía ningún interés inherente. La nueva demostración de Time Crystal marca una de las primeras veces que una computadora cuántica encuentra un empleo remunerado.
“Es un uso fantástico del procesador [de Google]”, dijo Nayak.
Con la preimpresión de ayer, que se ha enviado para su publicación, y otros resultados recientes , los investigadores han cumplido la esperanza original de las computadoras cuánticas. En su artículo de 1982 en el que proponía los dispositivos, el físico Richard Feynman argumentó que podrían usarse para simular las partículas de cualquier sistema cuántico imaginable.
Un cristal de tiempo ejemplifica esa visión. Es un objeto cuántico que la naturaleza misma probablemente nunca crea, dada su compleja combinación de delicados ingredientes. La imaginación conjuró la receta, movida por las leyes más desconcertantes de la naturaleza.
Una idea imposible, resucitada
La noción original de un cristal de tiempo tenía un defecto fatal.
El físico ganador del Premio Nobel Frank Wilczek concibió la idea en 2012, mientras daba una clase sobre cristales ordinarios (espaciales). “Si piensas en los cristales en el espacio, es muy natural también pensar en la clasificación del comportamiento cristalino en el tiempo”, dijo a esta revista poco después.
Considere un diamante, una fase cristalina de un grupo de átomos de carbono. El grupo se rige por las mismas ecuaciones en todas partes del espacio, sin embargo, toma una forma que tiene variaciones espaciales periódicas, con átomos colocados en puntos de celosía. Los físicos dicen que “rompe espontáneamente la simetría de traslación espacial”. Solo los estados de equilibrio de energía mínima rompen espontáneamente las simetrías espaciales de esta manera.
Wilczek imaginó un objeto de varias partes en equilibrio, muy parecido a un diamante. Pero este objeto rompe la simetría de traslación temporal: experimenta un movimiento periódico, volviendo a su configuración inicial a intervalos regulares.
“Algo que es tan estable como esto es inusual, y las cosas especiales se vuelven útiles.”
Roderich Moessner
El cristal de tiempo propuesto por Wilczek era profundamente diferente de, digamos, un reloj de pared, un objeto que también sufre un movimiento periódico. Las manecillas del reloj queman energía y se detienen cuando se agota la batería. Un cristal de tiempo de Wilczek no requiere entrada y continúa indefinidamente, ya que el sistema se encuentra en su estado de equilibrio ultraestable.
Si suena inverosímil, lo es: después de mucha emoción y controversia, una prueba de 2014 mostró que la prescripción de Wilczek falla, como todas las demás máquinas de movimiento perpetuo concebidas a lo largo de la historia.
Ese año, los investigadores de Princeton estaban pensando en otra cosa. Khemani y su asesor de doctorado, Sondhi, estaban estudiando la localización de muchos cuerpos, una extensión de la localización de Anderson, el descubrimiento ganador del Premio Nobel en 1958 de que un electrón puede quedarse atascado en su lugar, como si estuviera en una grieta en un paisaje accidentado.
Un electrón se representa mejor como una onda, cuya altura en diferentes lugares da la probabilidad de detectar la partícula allí. La ola se extiende naturalmente con el tiempo. Pero Philip Anderson descubrió que la aleatoriedad, como la presencia de defectos aleatorios en una red cristalina, puede hacer que la onda del electrón se rompa, interfiera destructivamente consigo misma y se cancele en todas partes excepto en una región pequeña. La partícula se localiza.
La gente pensó durante décadas que las interacciones entre múltiples partículas destruirían el efecto de interferencia. Pero en 2005, tres físicos de las universidades de Princeton y Columbia demostraron que una cadena unidimensional de partículas cuánticas puede experimentar la localización de muchos cuerpos; es decir, todos se quedan atascados en un estado fijo. Este fenómeno se convertiría en el primer ingrediente del cristal del tiempo.
Imagine una fila de partículas, cada una con una orientación magnética (o “giro”) que apunta hacia arriba, hacia abajo o alguna probabilidad en ambas direcciones. Imagina que los primeros cuatro giros apuntan inicialmente hacia arriba, hacia abajo, hacia abajo y hacia arriba. Los giros fluctuarán mecánicamente cuánticamente y se alinearán rápidamente, si pueden. Pero la interferencia aleatoria entre ellos puede hacer que la fila de partículas se atasque en su configuración particular, incapaz de reorganizarse o asentarse en equilibrio térmico. Apuntarán hacia arriba, hacia abajo, hacia abajo y hacia arriba indefinidamente.
Sondhi y un colaborador habían descubierto que los sistemas localizados de muchos cuerpos pueden exhibir un tipo especial de orden, que se convertiría en el segundo ingrediente clave de un cristal de tiempo: si inviertes todos los giros del sistema (cediendo hacia abajo, hacia arriba, hacia arriba y hacia abajo). en nuestro ejemplo), obtiene otro estado localizado estable de muchos cuerpos.
En el otoño de 2014, Khemani se unió a Sondhi en un año sabático en el Instituto Max Planck en Dresde. Allí, Moessner y Lazarides se especializaron en los llamados sistemas Floquet: sistemas impulsados periódicamente, como un cristal que se estimula con un láser de cierta frecuencia. La intensidad del láser y, por tanto, la fuerza de su efecto sobre el sistema, varía periódicamente.
Moessner, Lazarides, Sondhi y Khemani estudiaron lo que sucede cuando un sistema localizado de muchos cuerpos es impulsado periódicamente de esta manera. Descubrieron en cálculos y simulaciones que cuando haces cosquillas en una cadena localizada de giros con un láser de una manera particular, se mueven hacia adelante y hacia atrás, moviéndose entre dos estados localizados de muchos cuerpos diferentes en un ciclo repetido para siempre sin absorber energía neta. desde el láser.
Llamaron a su descubrimiento una fase de vidrio de espín pi (donde el ángulo pi significa un giro de 180 grados). El grupo informó el concepto de esta nueva fase de la materia, la primera fase de muchos cuerpos fuera de equilibrio jamás identificada, en una preimpresión de 2015 , pero las palabras “cristal de tiempo” no aparecieron en ninguna parte. Los autores agregaron el término en una versión actualizada , publicada en Physical Review Letters en junio de 2016, agradeciendo a un revisor en los agradecimientos por hacer la conexión entre su fase pi spin-glass y los cristales de tiempo.
Algo más sucedió entre la aparición de la preimpresión y su publicación: Nayak, que es un ex alumno de posgrado de Wilczek, y los colaboradores Dominic Else y Bela Bauer publicaron una preimpresión en marzo de 2016 proponiendo la existencia de objetos llamados cristales de tiempo Floquet. Señalaron como ejemplo la fase de vidrio giratorio pi de Khemani y la compañía.
Un cristal de tiempo Floquet exhibe el tipo de comportamiento imaginado por Wilczek, pero solo cuando es impulsado periódicamente por una fuente de energía externa. Este tipo de cristal de tiempo evita el fracaso de la idea original de Wilczek al no profesar nunca estar en equilibrio térmico. Debido a que es un sistema localizado de muchos cuerpos, sus espines u otras partes no pueden equilibrarse; están atrapados donde están. Pero el sistema tampoco se calienta, a pesar de ser bombeado por un láser u otro controlador. En cambio, va y viene indefinidamente entre estados localizados.
El láser ya habrá roto la simetría entre todos los momentos en el tiempo para la fila de giros, imponiendo en su lugar una “simetría de traslación de tiempo discreta”, es decir, condiciones idénticas solo después de cada ciclo periódico del láser. Pero luego, a través de sus giros hacia adelante y hacia atrás, la fila de giros rompe aún más la discreta simetría de traslación temporal impuesta por el láser, ya que sus propios ciclos periódicos son múltiplos de los del láser.
Khemani y sus coautores habían caracterizado esta fase en detalle, pero el grupo de Nayak la expresó en el lenguaje del tiempo, la simetría y la ruptura espontánea de la simetría, todos conceptos fundamentales en física. Además de ofrecer una terminología más sexy, proporcionaron nuevas facetas de comprensión y generalizaron ligeramente la noción de un cristal de tiempo Floquet más allá de la fase pi spin-glass (señalando que no es necesaria una cierta simetría). Su artículo fue publicado en Physical Review Letters en agosto de 2016, dos meses después de que Khemani y compañía publicaran el descubrimiento teórico del primer ejemplo de la fase.
Ambos grupos afirman haber descubierto la idea. Desde entonces, los investigadores rivales y otros se han apresurado a crear un cristal de tiempo en la realidad.
La plataforma perfecta
La tripulación de Nayak se asoció con Chris Monroe en la Universidad de Maryland, quien usa campos electromagnéticos para atrapar y controlar iones. El mes pasado, el grupo informó en Science que habían convertido los iones atrapados en un cristal de tiempo aproximado o “pretérmico”. Sus variaciones cíclicas (en este caso, iones que saltan entre dos estados) son prácticamente indistinguibles de las de un cristal de tiempo genuino. Pero a diferencia de un diamante, este cristal de tiempo pretérmico no es para siempre; si el experimento duraba el tiempo suficiente, el sistema se equilibraría gradualmente y el comportamiento cíclico se rompería.
Khemani, Sondhi, Moessner y colaboradores se engancharon en otro lugar. En 2019, Google anunció que su computadora cuántica Sycamore había completado una tarea en 200 segundos que le llevaría a una computadora convencional 10,000 años. (Otros investigadores describirían más tarde una forma de acelerar en gran medida el cálculo de la computadora ordinaria). Al leer el documento del anuncio, Moessner dijo que él y sus colegas se dieron cuenta de que “el procesador Sycamore contiene como sus bloques de construcción fundamentales exactamente las cosas que necesitamos comprender el cristal de tiempo Floquet “.
Por casualidad, los desarrolladores de Sycamore también estaban buscando algo que hacer con su máquina, que es demasiado propensa a errores para ejecutar la criptografía y los algoritmos de búsqueda diseñados para computadoras cuánticas en toda regla. Cuando Khemani y sus colegas se acercaron a Kostya Kechedzhi , un teórico de Google, él y su equipo acordaron rápidamente colaborar en el proyecto del cristal del tiempo. “Mi trabajo, no solo con cristales de tiempo discretos sino con otros proyectos, es intentar utilizar nuestro procesador como una herramienta científica para estudiar nueva física o química”, dijo Kechedzhi.
Chris FitzGerald y DVDP para Quanta Magazine
Las computadoras cuánticas consisten en “qubits”, partículas cuánticas esencialmente controlables, cada una de las cuales puede mantener dos estados posibles, etiquetados como 0 y 1, al mismo tiempo. Cuando los qubits interactúan, colectivamente pueden hacer malabarismos con un número exponencial de posibilidades simultáneas, lo que permite ventajas informáticas.
Los qubits de Google consisten en tiras de aluminio superconductoras. Cada uno tiene dos posibles estados de energía, que se pueden programar para representar giros que apuntan hacia arriba o hacia abajo. Para la demostración, Kechedzhi y sus colaboradores utilizaron un chip con 20 qubits para que sirviera como cristal de tiempo.
Quizás la principal ventaja de la máquina sobre sus competidores es su capacidad para ajustar las fortalezas de las interacciones entre sus qubits. Esta capacidad de sintonización es clave para explicar por qué el sistema podría convertirse en un cristal de tiempo: los programadores podrían aleatorizar las fuerzas de interacción de los qubits, y esta aleatoriedad creó una interferencia destructiva entre ellos que permitió que la fila de giros lograra la localización de muchos cuerpos. Los qubits podrían engancharse en un patrón establecido de orientaciones en lugar de alinearse.
Los investigadores dieron a los giros configuraciones iniciales arbitrarias, como: arriba, abajo, abajo, arriba, etc. Bombear el sistema con microondas cambiaba los giros hacia arriba hacia abajo y viceversa. Al ejecutar decenas de miles de demostraciones para cada configuración inicial y medir los estados de los qubits después de diferentes períodos de tiempo en cada ejecución, los investigadores pudieron observar que el sistema de giros cambiaba de un lado a otro entre dos estados localizados de muchos cuerpos.
El sello distintivo de una fase es la estabilidad extrema. El hielo permanece como hielo incluso si la temperatura fluctúa. De hecho, los investigadores encontraron que los pulsos de microondas solo tenían que girar los giros en algún lugar del estadio de béisbol de 180 grados, pero no exactamente tanto, para que los giros volvieran a su orientación inicial exacta después de dos pulsos, como pequeños botes que se enderezan. Además, los espines nunca absorbieron o disiparon la energía neta del láser de microondas, dejando el desorden del sistema sin cambios.
El 5 de julio, un equipo de la Universidad Tecnológica de Delft en los Países Bajos informó que construyeron un cristal de tiempo Floquet no en un procesador cuántico, sino a partir de los espines nucleares de los átomos de carbono en un diamante. El sistema Delft es más pequeño y más limitado que el cristal de tiempo realizado en el procesador cuántico de Google.
No está claro si un cristal de tiempo Floquet podría tener un uso práctico. Pero su estabilidad parece prometedora para Moessner. “Algo que es tan estable como inusual es inusual, y las cosas especiales se vuelven útiles”, dijo.
O el estado podría ser meramente útil desde el punto de vista conceptual. Es el primer y más simple ejemplo de una fase de desequilibrio, pero los investigadores sospechan que son físicamente posibles más fases de este tipo.
Nayak sostiene que los cristales de tiempo iluminan algo profundo sobre la naturaleza del tiempo. Normalmente en física, dijo, “por mucho que trates de tratar [el tiempo] como una dimensión más, siempre es una especie de valor atípico”. Einstein hizo el mejor intento de unificación, tejiendo el espacio 3D junto con el tiempo en un tejido de cuatro dimensiones: el espacio-tiempo. Pero incluso en su teoría, el tiempo unidireccional es único. Con los cristales de tiempo, dijo Nayak, “este es el primer caso que conozco en el que, de repente, es solo uno de la pandilla”.
Chalker sostiene, sin embargo, que el tiempo sigue siendo un caso atípico. El cristal de tiempo de Wilczek habría sido una verdadera unificación del tiempo y el espacio, dijo. Los cristales espaciales están en equilibrio y, en consecuencia, rompen la simetría de traslación espacial continua. El descubrimiento de que, en el caso del tiempo, los cristales de tiempo sólo pueden romper la simetría de traslación temporal discreta, pone un nuevo ángulo en la distinción entre tiempo y espacio.
Estas discusiones continuarán, impulsadas por la posibilidad de exploración en computadoras cuánticas. Los físicos de la materia condensada solían preocuparse por las fases del mundo natural. “El enfoque pasó de estudiar lo que nos da la naturaleza”, dijo Chalker, a soñar con formas exóticas de materia que permite la mecánica cuántica.
Fuente: https://www.quantamagazine.org/first-time-crystal-built-using-googles-quantum-computer-20210730/
