Físicos confirman la existencia de cristales de tiempo en una simulación por computadora cuántica

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Físicos confirman la existencia de cristales de tiempo en una simulación por computadora cuántica

El procesador cuántico Sycamore de Google. (Erik Lucero / Google)

Existe un enorme esfuerzo global para diseñar una computadora capaz de aprovechar el poder de la física cuántica con el fin de realizar cálculos de gran complejidad. Ahora un equipo de investigadores utilizó el hardware de computación cuántica Sycamore de Google para verificar su visión teórica de un cristal de tiempo. Los resultados fueron publicados en Nature.

Similar a los cristales convencionales hechos de unidades de átomos que se repiten infinitamente, un cristal de tiempo es un cambio que se repite infinitamente en un sistema que no requiere energía para entrar o salir. Aunque parece romper ciertas leyes de la termodinámica, la entropía del sistema no aumenta.

Cristal de tiempo

En realidad, este cristal puede parecer una oscilación de algún tipo que no se sincroniza con el resto de los ritmos del sistema. Un láser disparado continuamente en su cristal de tiempo, por ejemplo, puede hacer que los giros de sus partículas giren solo cada dos colisiones.

Este movimiento es un comportamiento característico del cristal de tiempo y ha sido utilizado como evidencia para su diseño y producción en experimentos anteriores. Pero la gran complejidad de una gran cantidad de objetos cuánticos interactuando, todos balanceándose a su propio ritmo, deja algo de espacio a otras explicaciones. Estas no dependen necesariamente de las mismas reglas que sustentan la física del cristal de tiempo.

Entonces no podemos descartar que un sistema que inicialmente parece un cristal de tiempo en realidad pueda eventualmente calentarse y caer en desorden. Para averiguarlo, los investigadores utilizaron una computadora cuántica.

“El panorama general es que estamos tomando los dispositivos que deberían ser las computadoras cuánticas del futuro”, dijo Matteo Ippoliti de la Universidad Stanford.  “Pensamos en ellos como sistemas cuánticos complejos por derecho propio. En vez de la informática, estamos haciendo que la computadora funcione como una nueva plataforma experimental para percibir y detectar nuevas fases de la materia”.

Física del equilibrio

El punto de partida para este cristal de tiempo en particular fue sorprendentemente involuntario. Surgió del trabajo realizado por la física teórica de Stanford Vedika Khemani sobre la física del desequilibrio.

Conocemos las consecuencias de este tipo de física en la vida cotidiana. Una taza de café sobre la mesa se enfriará rápidamente, ya que se disipa su energía térmica cuando se desequilibra con el medio ambiente. Pero Khemani y sus colegas estaban más interesados en el desequilibrio energético en un nivel mucho menos intuitivo de la física cuántica.

“Los cristales de tiempo son un ejemplo notable de un nuevo tipo de fase cuántica desequilibrada de la materia. Estos nuevos dispositivos cuánticos nos brindan una ventana fascinante hacia nuevos regímenes de desequilibrio en la física de muchos cuerpos”, señaló Khemani.

Modelar su cristal de tiempo con la tecnología cuántica de Google permitió buscar señales que se repiten infinitamente en solo unos pocos cientos de disparos de un pulso láser. También pueden ejecutar la simulación al revés y escalar su tamaño.

“Básicamente, nos dijo cómo corregir sus propios errores para que la huella dactilar del comportamiento cristalino en el momento ideal pueda determinarse a partir de observaciones en tiempo finito”, explicó Roderich Moessner, físico teórico del Instituto Max Planck.

Tener formas de modelar cristales en tiempo real puede ser invaluable para sondear las extrañas complejidades de la física cuántica.

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