Al disparar un pulso láser de Fibonacci a los átomos dentro de una computadora cuántica, los físicos han creado una fase de materia completamente nueva y extraña que se comporta como si tuviera dos dimensiones de tiempo.
la nueva etapa de trabajardiseñado para mover rítmicamente una cadena de 10 iones de iterbio usando láseres, permite a los científicos almacenar información de una manera mucho más a prueba de errores, allanando el camino a la cuántica. ordenadores que puede retener datos durante largos períodos de tiempo sin desviarse. Los investigadores resumieron sus hallazgos en un artículo publicado el 20 de julio en la revista Naturaleza (se abre en una pestaña nueva).
Incorporar la dimensión de tiempo «extra» teórica «es una forma completamente diferente de pensar sobre las fases de la materia», dijo el autor principal Philip Dumitrescu, investigador del Centro de Física Cuántica Computacional del Instituto Flatiron en Nueva York. dijo la declaración. “He estado trabajando en esto teoría más de cinco años de ideas, y ver cómo cobran vida en los ensayos es emocionante”.
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Los físicos no se propusieron crear una fase con una dimensión de tiempo adicional teórica, ni buscaron un método para almacenar mejor los datos cuánticos. En cambio, estaban interesados en crear una nueva fase de la materia, una nueva forma en la que la materia puede existir, más allá del estándar sólido, líquido, gasplasma.
Comenzaron a construir una nueva fase del procesador cuántico H1 de la compañía de computadoras cuánticas Quantinuum, que consta de 10 iones de iterbio en una cámara de vacío controlada con precisión por láseres, conocida como trampa de iones.
Las computadoras convencionales usan bits, o 0 y 1, para formar la base de todos los cálculos. Las computadoras cuánticas están diseñadas para usar qubits, que también pueden existir en un estado de 0 o 1. Pero ahí es donde terminan las similitudes. Debido a las extrañas leyes del mundo cuántico, los qubits pueden existir en una combinación o superposición de los estados 0 y 1 hasta el momento de la medición, momento en el que colapsan aleatoriamente en 0 o 1.
Este extraño comportamiento es clave para el poder de la computación cuántica, ya que permite que los qubits se comuniquen entre sí. entrelazamiento cuánticoun proceso que Albert Einstein llamado «acción terrible a distancia». El entrelazamiento empareja dos o más qubits, conectando sus propiedades de tal manera que cualquier cambio en una partícula provocará un cambio en la otra, incluso si están separados por grandes distancias. Esto le da a las computadoras cuánticas la capacidad de realizar múltiples cálculos simultáneamente, aumentando exponencialmente su poder de procesamiento sobre los dispositivos clásicos.
Sin embargo, el desarrollo de las computadoras cuánticas se ve obstaculizado por un gran inconveniente. Los qubits no interactúan y se enredan simplemente entre sí; dado que no pueden aislarse perfectamente del entorno exterior a la computadora cuántica, también interactúan con el entorno externo, lo que hace que pierdan sus propiedades cuánticas y la información que transportan en un proceso llamado decoherencia.
“Incluso si los mantienes a todos átomos Bajo un estricto control, pueden perder su ‘cuántica’ al hablar con su entorno, calentarse o interactuar con las cosas de maneras que no planeaste”, dijo Dumitrescu.
Para eludir estos molestos efectos de decoherencia y crear una nueva fase estable, los físicos han considerado un grupo especial de fases llamadas fases topológicas. El entrelazamiento cuántico permite que los dispositivos cuánticos no solo codifiquen información en las posiciones estáticas únicas de los qubits, sino también que los conecten con los movimientos dinámicos y las interacciones de la materia como un todo, en la forma o topología de los estados entrelazados de la materia misma. . . Esto crea un qubit «topológico» que codifica la información en una forma formada por varias partes en lugar de una sola parte, lo que hace que sea mucho menos probable que pierda su información en fase.
Una característica clave de pasar de una fase a otra es la ruptura de las simetrías físicas: la idea de que las leyes de la física son las mismas para un objeto en cualquier momento o espacio. Como líquido, las moléculas de agua obedecen las mismas leyes físicas en todos los puntos del espacio y en todas las direcciones. Pero si congela agua lo suficiente como para convertirla en hielo, sus moléculas se reunirán en puntos regulares a lo largo de la estructura cristalina, o red, para organizarse. De repente las moléculas de agua prefieren ocupar los puntos del espacio y dejar el resto de los puntos vacíos; la simetría espacial del agua se violó automáticamente.
La creación de una nueva fase topológica dentro de una computadora cuántica también se basa en la ruptura de la simetría, pero con esta nueva fase, la simetría no se rompe en el espacio, sino en el tiempo.
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Al impactar periódicamente cada ion de la cadena con láseres, los físicos querían romper la simetría temporal continua de los iones en reposo y forzar su propia simetría temporal, donde los qubits permanecen iguales en ciertos intervalos de tiempo, lo que crearía una topología rítmica. fase en el material.
Pero el intento fracasó. En lugar de generar una fase topológica que fuera inmune a los efectos de descomposición, los pulsos de láser convencionales amplificaron el ruido desde el exterior del sistema, destruyéndolo en menos de 1,5 segundos después de encenderlo.
Después de revisar el experimento, los investigadores se dieron cuenta de que para crear una fase topológica más fuerte, necesitaban unir más de una simetría en la cadena iónica para reducir la posibilidad de que el sistema se mezcle. Para hacer esto, se propusieron encontrar un patrón de pulso que no se repitiera de manera simple y regular, pero que sin embargo mostrara algún tipo de simetría más alta con el tiempo.
Esto los llevó a La sucesión de Fibonacci, en el que el siguiente número de la secuencia se crea sumando los dos anteriores. Mientras que un pulso láser periódico simple podría simplemente alternar entre dos fuentes láser (A, B, A, B, A, B, etc.), su nuevo tren de pulsos funcionaba combinando dos pulsos previamente introducidos (A, AB, ABA, ABAAB , ABABABA, etc.).
Este pulso de Fibonacci creaba una simetría en el tiempo que, como un cuasicristal en el espacio, se ordenaba sin repetirse. Y al igual que un cuasicristal, los pulsos de Fibonacci también comprimen un patrón de mayor volumen en una superficie de menor volumen. En el caso de cuasicristales espaciales como el mosaico de Penrose, una parte de una cuadrícula de cinco dimensiones se proyecta sobre una superficie de dos dimensiones. Mirando el patrón de pulso de Fibonacci, vemos dos simetrías de tiempo teóricas aplanadas en una física.
«El sistema esencialmente gana una simetría adicional de una dimensión de tiempo adicional que no existe», escribieron los investigadores en un comunicado. Un sistema aparece como materia que existe en alguna dimensión superior en dos dimensiones de tiempo, incluso si esto es físicamente imposible.
Cuando el equipo lo probó, el nuevo pulso cuasi periódico de Fibonacci creó una fase topográfica que protegió al sistema de la pérdida de datos durante los 5,5 segundos completos de la prueba. De hecho, habían creado una fase que era inmune a la decoherencia durante mucho más tiempo que las demás.
«En esta secuencia cuasi periódica, hay una evolución compleja que elimina todos los errores que viven al límite», dijo Dumitrescu. «Debido a eso, el borde permanece cuánticamente coherente mucho, mucho más de lo que cabría esperar».
Aunque los físicos lograron su objetivo, queda un obstáculo para hacer de su fase una herramienta útil para los programadores cuánticos. integrarlo con el lado computacional de la computación cuántica para que pueda ingresarse en los cálculos.
«Tenemos esta aplicación sencilla y tentadora, pero tenemos que encontrar una manera de incluirla en los cálculos», dijo Dumitrescu. «Es un tema abierto en el que estamos trabajando».
Publicado originalmente en Live Science.
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