Se ha observado una nueva fase de la materia con dos dimensiones temporales

Se ha observado una nueva fase de la materia en una computadora cuántica después de que los físicos pulsaran luz sobre sus qubits en un patrón inspirado en la secuencia de Fibonacci.

Si crees que es alucinante, esta extraña peculiaridad de la mecánica cuántica se comporta como si tuviera dos dimensiones de tiempo, en lugar de una; un rasgo que, según los científicos, hace que los qubits sean más robustos, capaces de permanecer estables durante toda la duración del experimento. 

Esta estabilidad se denomina coherencia cuántica y es uno de los principales objetivos de una computadora cuántica libre de errores, y uno de los más difíciles de lograr.

El trabajo representa “una forma completamente diferente de pensar sobre las fases de la materia”, según el físico cuántico computacional Philipp Dumitrescu del Instituto Flatiron, autor principal de un nuevo artículo que describe el fenómeno.

“He estado trabajando en estas ideas teóricas durante más de cinco años, y ver cómo se materializan en experimentos es emocionante”.

La computación cuántica se basa en qubits, el equivalente cuántico de los bits de computación. Sin embargo, donde los bits procesan información en uno de dos estados, un 1 o un 0, los qubits pueden ser ambos simultáneamente, un estado conocido como superposición cuántica.

La naturaleza matemática de esa superposición puede ser increíblemente poderosa desde un punto de vista computacional, lo que simplifica la resolución de problemas en las circunstancias adecuadas.

Pero la naturaleza borrosa e inestable de una serie de qubits también depende de cómo se relacionan entre sí sus estados indecisos, una relación llamada entrelazamiento . 

De manera frustrante, los qubits pueden enredarse con casi cualquier cosa en su entorno, introduciendo errores. Cuanto más delicado es el estado borroso de un qubit (o más caos hay en su entorno), mayor es el riesgo de que pierda esta coherencia.

Mejorar la coherencia hasta el punto de la viabilidad es probablemente un enfoque multitáctico para superar un obstáculo importante que se interpone en el camino de una computadora cuántica funcional: cada pequeño detalle hace la diferencia.

“Incluso si mantienes todos los átomos bajo un estricto control, pueden perder su cuántica al hablar con su entorno, calentarse o interactuar con las cosas de formas que no planeaste”, explicó Dumitrescu .

“En la práctica, los dispositivos experimentales tienen muchas fuentes de error que pueden degradar la coherencia después de unos pocos pulsos de láser”.

Hacer cumplir una simetría puede ser un medio para proteger los qubits de la decoherencia. Gire un viejo cuadrado simple noventa grados y seguirá teniendo la misma forma. Esta simetría lo protege de ciertos efectos rotacionales.

Tocar qubits con pulsos láser espaciados uniformemente garantiza que haya una simetría basada no en el espacio, sino en el tiempo. Dumitrescu y sus colegas querían saber si podían marcar este efecto agregando, no una periodicidad simétrica, sino una cuasiperiodicidad asimétrica.

Esto, teorizaron, agregaría no una simetría temporal, sino dos; uno efectivamente enterrado dentro del otro.

La idea se basó en un trabajo anterior del equipo que proponía la creación de algo llamado cuasicristal en el tiempo , en lugar del espacio. Donde un cristal está hecho de una red simétrica de átomos que se repite en el espacio, como un gimnasio de la jungla de cuadrícula cuadrada o un panal, el patrón de átomos en un cuasicristal no se repite, como un mosaico de Penrose , pero sigue estando ordenado.

El equipo realizó su experimento en una computadora cuántica comercial de última generación diseñada por  Quantinuum , una empresa de computación cuántica. Esta bestia emplea para sus qubits 10 átomos de iterbio (uno de los elementos elegidos para  los relojes atómicos ). Estos átomos se mantienen en una trampa de iones eléctricos, desde la cual se pueden emplear pulsos de láser para controlarlos o medirlos.

Dumitrescu y sus colegas crearon una secuencia de pulsos láser basada en los números de Fibonacci , donde cada segmento es la suma de los dos segmentos anteriores. Esto da como resultado una secuencia que está ordenada, pero no se repite, como un cuasicristal.

Los cuasicristales se pueden describir matemáticamente como segmentos de menor dimensión de redes de mayor dimensión. Un mosaico de Penrose se puede describir como una porción bidimensional de un hipercubo de cinco dimensiones .

De la misma manera, los pulsos de láser del equipo pueden describirse como una representación unidimensional de un patrón bidimensional. Teóricamente, esto significaba que potencialmente podría imponer dos simetrías de tiempo en qubits.

El equipo probó su trabajo lanzando láseres intermitentes en la matriz de qubits de iterbio, primero en una secuencia simétrica y luego cuasiperiódicamente. Luego midieron la coherencia de los dos qubits en cada extremo de la trampa.

Para la secuencia periódica, los qubits se mantuvieron estables durante 1,5 segundos. Para la secuencia cuasiperiódica, se mantuvieron estables durante 5,5 segundos, la duración del experimento.

La simetría temporal adicional, dijeron los investigadores, agregó otra capa de protección contra la decoherencia cuántica.

“Con esta secuencia cuasi periódica, hay una evolución complicada que cancela todos los errores que viven al límite”, dijo Dumitrescu .

“Debido a eso, el borde se mantiene coherente mecánicamente cuánticamente mucho, mucho más de lo que cabría esperar”.

El trabajo no está cerca de estar listo para la integración en computadoras cuánticas funcionales , pero representa un paso importante hacia ese objetivo, dijeron los investigadores.

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