Al hacer brillar una secuencia de pulsos láser inspirada en los números de Fibonacci en los átomos dentro de una computadora cuántica, los físicos han creado una fase de la materia notable, nunca antes vista. La fase tiene los beneficios de dos dimensiones de tiempo a pesar de que todavía hay un solo flujo de tiempo singular, informan los físicos el 20 de julio en Nature .

Esta propiedad alucinante ofrece un beneficio codiciado:la información almacenada en la fase está mucho más protegida contra errores que con las configuraciones alternativas que se usan actualmente en las computadoras cuánticas. Como resultado, la información puede existir sin que se distorsione durante mucho más tiempo, un hito importante para hacer que la computación cuántica sea viable, dice el autor principal del estudio, Philipp Dumitrescu.

El uso del enfoque de una dimensión de tiempo "extra" "es una forma completamente diferente de pensar sobre las fases de la materia", dice Dumitrescu, quien trabajó en el proyecto como investigador en el Centro de Física Cuántica Computacional del Instituto Flatiron en la ciudad de Nueva York. "He estado trabajando en estas ideas teóricas durante más de cinco años, y ver cómo se materializan en experimentos es emocionante".

Dumitrescu encabezó el componente teórico del estudio con Andrew Potter de la Universidad de Columbia Británica en Vancouver, Romain Vasseur de la Universidad de Massachusetts, Amherst y Ajesh Kumar de la Universidad de Texas en Austin. Los experimentos se llevaron a cabo en una computadora cuántica en Quantinuum en Broomfield, Colorado, por un equipo dirigido por Brian Neyenhuis.

Los caballos de batalla de la computadora cuántica del equipo son 10 iones atómicos de un elemento llamado iterbio. Cada ion se retiene y controla individualmente mediante campos eléctricos producidos por una trampa de iones, y se puede manipular o medir mediante pulsos láser.

Cada uno de esos iones atómicos sirve como lo que los científicos denominan un bit cuántico o "qubit". Mientras que las computadoras tradicionales cuantifican la información en bits (cada uno representa un 0 o un 1), los qubits utilizados por las computadoras cuánticas aprovechan la extrañeza de la mecánica cuántica para almacenar aún más información. Así como el gato de Schrödinger está vivo y muerto en su caja, un qubit puede ser un 0, un 1 o una combinación, o "superposición", de ambos. Esa densidad de información adicional y la forma en que los qubits interactúan entre sí prometen permitir que las computadoras cuánticas aborden problemas computacionales mucho más allá del alcance de las computadoras convencionales.

Sin embargo, hay un gran problema:así como mirar en la caja de Schrödinger sella el destino del gato, también lo hace interactuar con un qubit. Y esa interacción ni siquiera tiene que ser deliberada. "Incluso si mantienes todos los átomos bajo un estricto control, pueden perder su carácter cuántico hablando con su entorno, calentándose o interactuando con cosas de formas que no habías planeado", dice Dumitrescu. "En la práctica, los dispositivos experimentales tienen muchas fuentes de error que pueden degradar la coherencia después de unos pocos pulsos de láser".

El desafío, por lo tanto, es hacer que los qubits sean más robustos. Para hacer eso, los físicos pueden usar "simetrías", esencialmente propiedades que resisten el cambio. (Un copo de nieve, por ejemplo, tiene simetría rotacional porque se ve igual cuando se gira 60 grados). Un método consiste en agregar simetría temporal haciendo estallar los átomos con pulsos láser rítmicos. Este enfoque ayuda, pero Dumitrescu y sus colaboradores se preguntaron si podrían ir más allá. Entonces, en lugar de solo una simetría de tiempo, intentaron agregar dos mediante el uso de pulsos de láser ordenados pero no repetitivos.

La mejor manera de entender su enfoque es considerando algo más ordenado pero no repetitivo:"cuasicristales". Un cristal típico tiene una estructura repetitiva regular, como los hexágonos en un panal. Un cuasicristal todavía tiene orden, pero sus patrones nunca se repiten. (El mosaico de Penrose es un ejemplo de esto). Aún más alucinante es que los cuasicristales son cristales de dimensiones superiores proyectados, o aplastados, en dimensiones inferiores. Esas dimensiones superiores pueden incluso estar más allá de las tres dimensiones del espacio físico:un mosaico 2D de Penrose, por ejemplo, es una porción proyectada de una red 5D.

Para los qubits, Dumitrescu, Vasseur y Potter propusieron en 2018 la creación de un cuasicristal en el tiempo y no en el espacio. Mientras que un pulso láser periódico se alternaría (A, B, A, B, A, B, etc.), los investigadores crearon un régimen de pulso láser cuasi periódico basado en la secuencia de Fibonacci. En tal secuencia, cada parte de la secuencia es la suma de las dos partes anteriores (A, AB, ABA, ABAAB, ABAABABA, etc.). Este arreglo, al igual que un cuasicristal, se ordena sin repetir. Y, similar a un cuasicristal, es un patrón 2D aplastado en una sola dimensión. Ese aplanamiento dimensional teóricamente da como resultado dos simetrías de tiempo en lugar de solo una:el sistema esencialmente obtiene una simetría adicional de una dimensión de tiempo extra inexistente.

Sin embargo, las computadoras cuánticas reales son sistemas experimentales increíblemente complejos, por lo que aún no se ha demostrado si los beneficios prometidos por la teoría perdurarían en los qubits del mundo real.

Usando la computadora cuántica de Quantinuum, los experimentadores pusieron a prueba la teoría. Pulsaron luz láser en los qubits de la computadora tanto periódicamente como usando la secuencia basada en los números de Fibonacci. La atención se centró en los qubits en cada extremo de la alineación de 10 átomos; ahí es donde los investigadores esperaban ver la nueva fase de la materia experimentando dos simetrías temporales a la vez. En la prueba periódica, los qubits de borde permanecieron cuánticos durante alrededor de 1,5 segundos, lo que ya es una duración impresionante dado que los qubits interactuaban fuertemente entre sí. Con el patrón cuasi-periódico, los qubits se mantuvieron cuánticos durante todo el experimento, alrededor de 5,5 segundos. Eso se debe a que la simetría de tiempo adicional proporcionó más protección, dice Dumitrescu.

“Con esta secuencia cuasi periódica, hay una evolución complicada que cancela todos los errores que viven al límite”, dice. "Debido a eso, el borde se mantiene coherente desde el punto de vista mecánico-cuántico mucho, mucho más de lo que cabría esperar".

Aunque los hallazgos demuestran que la nueva fase de la materia puede actuar como almacenamiento de información cuántica a largo plazo, los investigadores aún necesitan integrar funcionalmente la fase con el lado computacional de la computación cuántica. "Tenemos esta aplicación directa y tentadora, pero necesitamos encontrar una manera de incorporarla a los cálculos", dice Dumitrescu. "Ese es un problema abierto en el que estamos trabajando". + Explora más

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