Científicos hacen estallar átomos con el láser Fibonacci para crear una dimensión "extra" del tiempo

Al disparar un pulso láser de Fibonacci a los átomos dentro de un ordenador cuántico, los físicos han creado una fase completamente nueva y extraña de la materia que se comporta como si tuviera dos dimensiones de tiempo. 

La nueva fase de la materia, creada mediante el uso de láseres para agitar rítmicamente una cadena de 10 iones de iterbio, permite a los científicos almacenar la información de una forma mucho más protegida contra los errores, abriendo así el camino a los ordenadores cuánticos que pueden retener los datos durante mucho tiempo sin desordenarse. Los investigadores exponen sus hallazgos en un artículo publicado el 20 de julio en la revista Nature(opens in new tab). 

La inclusión de una dimensión temporal "extra" teórica "es una forma completamente diferente de pensar en las fases de la materia", dijo en un comunicado el autor principal, Philipp Dumitrescu, investigador del Centro de Física Cuántica Computacional del Instituto Flatiron de Nueva York. "Llevo más de cinco años trabajando en estas ideas teóricas, y ver que se hacen realidad en los experimentos es emocionante".

Los físicos no se propusieron crear una fase con una dimensión temporal extra teórica, ni buscaban un método que permitiera un mejor almacenamiento de datos cuánticos. Lo que les interesaba era crear una nueva fase de la materia, una nueva forma en la que pudiera existir la materia, más allá del sólido, el líquido, el gas o el plasma estándar. 

Se pusieron a construir la nueva fase en el procesador cuántico H1 de la empresa Quantinuum, que consiste en 10 iones de iterbio en una cámara de vacío controlados con precisión por láseres en un dispositivo conocido como trampa de iones. 

Los ordenadores ordinarios utilizan bits, o 0s y 1s, para formar la base de todos los cálculos. Los ordenadores cuánticos están diseñados para utilizar qubits, que también pueden existir en un estado de 0 o 1. Pero ahí acaban las similitudes. Gracias 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 en que se miden, en el que colapsan aleatoriamente en un 0 o un 1. 

Este extraño comportamiento es la clave del poder de la computación cuántica, ya que permite que los qubits se vinculen entre sí a través del entrelazamiento cuántico, un proceso que Albert Einstein denominó "acción fantasmal a distancia". El entrelazamiento acopla dos o más qubits entre sí, conectando sus propiedades de modo que cualquier cambio en una partícula provocará un cambio en la otra, aunque estén separadas por grandes distancias. Esto confiere a los ordenadores cuánticos la capacidad de realizar múltiples cálculos de forma simultánea, aumentando exponencialmente su capacidad de procesamiento respecto a la de los dispositivos clásicos.

Pero el desarrollo de los ordenadores cuánticos se ve frenado por un gran defecto: los qubits no sólo interactúan y se enredan entre sí; como no pueden estar perfectamente aislados del entorno exterior del ordenador cuántico, también interactúan con el entorno exterior, lo que hace que pierdan sus propiedades cuánticas, y la información que transportan, en un proceso llamado decoherencia.

Incluso si se mantienen todos los átomos bajo un estricto control, pueden perder su "cuántica" al hablar con su entorno, calentarse o interactuar con cosas de forma no prevista", explica Dumitrescu.

Para evitar estos molestos efectos de decoherencia y crear una fase nueva y estable, los físicos recurrieron a un conjunto especial de fases llamadas topológicas. El entrelazamiento cuántico no sólo permite a los dispositivos cuánticos codificar la información a través de las posiciones singulares y estáticas de los qubits, sino también entrelazarlos en los movimientos e interacciones dinámicas de todo el material, en la propia forma, o topología, de los estados entrelazados del material. Esto crea un qubit "topológico" que codifica la información en la forma formada por múltiples partes en lugar de una sola, lo que hace que la fase tenga muchas menos probabilidades de perder su información.

Una característica clave del paso de una fase a otra es la ruptura de las simetrías físicas, es decir, la idea de que las leyes de la física son las mismas para un objeto en cualquier punto del tiempo o del espacio. Como líquido, las moléculas del agua siguen las mismas leyes físicas en cualquier punto del espacio y en cualquier dirección. Pero si se enfría el agua lo suficiente como para que se transforme en hielo, sus moléculas elegirán puntos regulares a lo largo de una estructura cristalina, o red, para organizarse. De repente, las moléculas de agua tienen puntos preferidos en el espacio para ocupar, y dejan los demás puntos vacíos; la simetría espacial del agua se ha roto espontáneamente.

Creating a new topological phase inside a quantum computer also relies on symmetry breaking, but with this new phase, the symmetry is not being broken across space, but time. 

Al dar a cada uno de los iones de la cadena una sacudida periódica con los láseres, los físicos querían romper la simetría temporal continua de los iones en reposo e imponer su propia simetría temporal -en la que los qubits permanecen iguales a lo largo de ciertos intervalos de tiempo- que crearía una fase topológica rítmica en todo el material.

Pero el experimento fracasó. En lugar de inducir una fase topológica inmune a los efectos de decoherencia, los pulsos regulares de láser amplificaron el ruido del exterior del sistema, destruyéndolo menos de 1,5 segundos después de encenderlo. 

Tras reconsiderar el experimento, los investigadores se dieron cuenta de que, para crear una fase topológica más robusta, necesitarían anudar más de una simetría temporal en la cadena de iones para disminuir las probabilidades de que el sistema se desordene. Para ello, optaron por encontrar un patrón de pulsos que no se repitiera de forma simple y regular, pero que, sin embargo, mostrara algún tipo de simetría superior a lo largo del tiempo. 

Esto les llevó a la secuencia de Fibonacci, en la que el siguiente número de la secuencia se crea sumando los dos anteriores. Mientras que un simple pulso láser periódico podría simplemente alternar entre dos fuentes láser (A, B, A, B, A, B, y así sucesivamente), su nuevo tren de pulsos se ejecutaba combinando los dos pulsos anteriores (A, AB, ABA, ABAAB, ABAABABA, etc.).

Esta pulsación de Fibonacci creó una simetría temporal que, al igual que un cuasicristal en el espacio, se ordenó sin repetirse nunca. Y al igual que un cuasicristal, los pulsos de Fibonacci también aplastan un patrón de mayor dimensión en una superficie de menor dimensión. En el caso de un cuasicristal espacial como el mosaico de Penrose, se proyecta una porción de una red de cinco dimensiones sobre una superficie de dos dimensiones. Al observar el patrón de pulsos de Fibonacci, vemos que dos simetrías temporales teóricas se aplanan en una sola física.

"El sistema obtiene esencialmente una simetría adicional de una dimensión temporal extra inexistente", escribieron los investigadores en el comunicado. El sistema parece un material que existe en alguna dimensión superior con dos dimensiones de tiempo, aunque esto pueda ser físicamente imposible en la realidad". 

Cuando el equipo lo probó, el nuevo pulso cuasiperiódico de Fibonacci creó una fase topográfica que protegió al sistema de la pérdida de datos durante los 5,5 segundos que duró la prueba. De hecho, habían creado una fase inmune a la decoherencia durante mucho más tiempo que otras.

"Con esta secuencia casi periódica, hay una evolución complicada que anula todos los errores que viven en el borde", dijo Dumitrescu. "Por eso, el borde se mantiene coherente desde el punto de vista mecánico-cuántico mucho, mucho más tiempo de lo que cabría esperar".

Aunque los físicos lograron su objetivo, queda un obstáculo para que su fase se convierta en una herramienta útil para los programadores cuánticos: integrarla con la parte computacional de la computación cuántica para que se pueda introducir con los cálculos.

"Tenemos esta aplicación directa y tentadora, pero tenemos que encontrar la manera de engancharla a los cálculos", dijo Dumitrescu. "Es un problema abierto en el que estamos trabajando".

Fuente: livescience.com