Agregue un chorrito de crema a su café de la mañana y nubes de líquido blanco se arremolinarán alrededor de su taza. Pero dale unos segundos y esos remolinos desaparecerán, dejándote con una taza normal de líquido marrón.
Algo similar sucede con los chips de computadora cuánticos (dispositivos que aprovechan las extrañas propiedades del universo en sus escalas más pequeñas), donde la información puede mezclarse rápidamente, limitando las capacidades de memoria de estas herramientas.
Ese no tiene por qué ser el caso, afirmó Rahul Nandkishore, profesor asociado de física en la Universidad de Colorado Boulder.
En un nuevo golpe para la física teórica, él y sus colegas han utilizado las matemáticas para demostrar que los científicos podrían crear, esencialmente, un escenario en el que la leche y el café nunca se mezclan, sin importar cuánto se revuelvan.
Los hallazgos del grupo pueden conducir a nuevos avances en chips informáticos cuánticos, lo que podría proporcionar a los ingenieros nuevas formas de almacenar información en objetos increíblemente pequeños.
"Piense en los patrones de remolinos iniciales que aparecen cuando agrega crema al café de la mañana", dijo Nandkishore, autor principal del nuevo estudio. "Imagínese si estos patrones continuaran girando y bailando sin importar cuánto tiempo los mirara".
Los investigadores todavía necesitan realizar experimentos en el laboratorio para asegurarse de que estos remolinos interminables realmente sean posibles. Pero los resultados del grupo son un gran paso adelante para los físicos que buscan crear materiales que permanezcan fuera de equilibrio durante largos períodos de tiempo, una búsqueda conocida como "ruptura de la ergodicidad".
Los hallazgos del equipo se publicaron esta semana en el último número de Physical Review Letters. .
El estudio, que incluye a los coautores David Stephen y Oliver Hart, investigadores postdoctorales en física en CU Boulder, gira en torno a un problema común en la computación cuántica.
Las computadoras normales funcionan con "bits", que toman la forma de ceros o unos. Nandkishore explicó que las computadoras cuánticas, por el contrario, emplean "qubits", que pueden existir como cero, uno o, a través de la extrañeza de la física cuántica, cero y uno al mismo tiempo. Los ingenieros han creado qubits a partir de una amplia gama de elementos, incluidos átomos individuales atrapados por láseres o pequeños dispositivos llamados superconductores.
Pero al igual que esa taza de café, los qubits pueden confundirse fácilmente. Si inviertes, por ejemplo, todos tus qubits en uno, eventualmente se moverán hacia adelante y hacia atrás hasta que todo el chip se convierta en un desastre desorganizado.
En la nueva investigación, Nandkishore y sus colegas pueden haber encontrado una forma de evitar esa tendencia a la mezcla. El grupo calculó que si los científicos organizan los qubits en patrones particulares, estos conjuntos retendrán su información, incluso si se los perturba utilizando un campo magnético o una perturbación similar. Según el físico, esto podría permitir a los ingenieros construir dispositivos con una especie de memoria cuántica.
"Esta podría ser una forma de almacenar información", dijo. "Se escribiría información en estos patrones y la información no podría degradarse".
En el estudio, los investigadores utilizaron herramientas de modelado matemático para visualizar una serie de cientos a miles de qubits dispuestos en un patrón similar a un tablero de ajedrez.
Descubrieron que el truco consistía en meter los qubits en un espacio reducido. Si los qubits se acercan lo suficiente, explicó Nadkishore, pueden influir en el comportamiento de sus vecinos, casi como una multitud de personas tratando de meterse en una cabina telefónica. Algunas de esas personas pueden estar de pie o boca abajo, pero no pueden girar hacia el otro lado sin empujar a los demás.
Los investigadores calcularon que si disponían estos patrones de la manera correcta, podrían fluir alrededor de un chip de computadora cuántico y nunca degradarse, de manera muy similar a esas nubes de crema que se arremolinan eternamente en el café.
"Lo maravilloso de este estudio es que descubrimos que podíamos comprender este fenómeno fundamental a través de una geometría casi simple", afirmó Nandkishore.
Los hallazgos del equipo podrían influir en mucho más que solo los ordenadores cuánticos.
Nandkishore explicó que casi todo en el universo, desde las tazas de café hasta los vastos océanos, tiende a moverse hacia lo que los científicos llaman "equilibrio térmico". Si dejas caer un cubito de hielo en tu taza, por ejemplo, el calor del café derretirá el hielo y eventualmente formará un líquido con una temperatura uniforme.
Sin embargo, sus nuevos hallazgos se unen a un creciente cuerpo de investigación que sugiere que algunas pequeñas organizaciones de materia pueden resistir ese equilibrio, rompiendo aparentemente algunas de las leyes más inmutables del universo.
"No vamos a tener que rehacer nuestros cálculos para el hielo y el agua", dijo Nandkishore. "El campo de las matemáticas que llamamos física estadística es increíblemente exitoso para describir cosas que encontramos en la vida cotidiana. Pero hay entornos en los que tal vez no se aplique".
Más información: David T. Stephen et al, Ergodicity Breaking Provably Robust to Arbitrary Perturbations, Cartas de revisión física (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.040401. EnarXiv :DOI:10.48550/arxiv.2209.03966
Información de la revista: Cartas de revisión física , arXiv
Proporcionado por la Universidad de Colorado en Boulder
