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Cristal de tiempo en una computadora cuántica

Fecha :
30 de noviembre de 2021
Fuente :
Universidad de Stanford
Resumen :
Los investigadores han creado y observado una nueva fase de la materia, conocida popularmente como cristal del tiempo.
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HISTORIA COMPLETA

Existe un enorme esfuerzo global para diseñar una computadora capaz de aprovechar el poder de la física cuántica para realizar cálculos de una complejidad sin precedentes. Si bien todavía existen formidables obstáculos tecnológicos en el camino para crear una computadora cuántica de este tipo, los primeros prototipos de hoy en día todavía son capaces dede hazañas notables.

Por ejemplo, la creación de una nueva fase de la materia llamada "cristal de tiempo". Así como la estructura de un cristal se repite en el espacio, un cristal de tiempo se repite en el tiempo y, lo que es más importante, lo hace infinitamente y sin ningún aporte adicional de energía.- como un reloj que funciona para siempre sin pilas. La búsqueda para realizar esta fase de la materia ha sido un desafío de larga data en teoría y experimento, uno que finalmente se ha hecho realidad.

En una investigación publicada el 30 de noviembre en Naturaleza , un equipo de científicos de la Universidad de Stanford, Google Quantum AI, el Instituto Max Planck de Física de Sistemas Complejos y la Universidad de Oxford detallan la creación de un cristal de tiempo utilizando el hardware de computación cuántica Sycamore de Google.

"El panorama general es que estamos tomando los dispositivos que están destinados a ser las computadoras cuánticas del futuro y pensamos en ellos como sistemas cuánticos complejos por derecho propio", dijo Matteo Ippoliti, un académico postdoctoral en Stanford y co-autor principal del trabajo. "En lugar de computación, estamos poniendo la computadora a trabajar como una nueva plataforma experimental para realizar y detectar nuevas fases de la materia".

Para el equipo, la emoción de su logro radica no solo en la creación de una nueva fase de la materia, sino en la apertura de oportunidades para explorar nuevos regímenes en su campo de la física de la materia condensada, que estudia los nuevos fenómenos y propiedades provocados por el colectivointeracciones de muchos objetos en un sistema tales interacciones pueden ser mucho más ricas que las propiedades de los objetos individuales.

"Los cristales de tiempo son un ejemplo sorprendente de un nuevo tipo de fase cuántica de la materia sin equilibrio", dijo Vedika Khemani, profesora asistente de física en Stanford y autora principal del artículo.La física de la materia se basa en sistemas de equilibrio, estos nuevos dispositivos cuánticos nos brindan una ventana fascinante hacia nuevos regímenes de no equilibrio en la física de muchos cuerpos ".

Qué tiempo es y qué no es el cristal

Los ingredientes básicos para hacer este cristal de tiempo son los siguientes: El equivalente físico de una mosca de la fruta y algo para darle una patada. La mosca de la fruta de la física es el modelo Ising, una herramienta de larga data para comprender varios fenómenos físicos, que incluyentransiciones de fase y magnetismo, que consiste en una red donde cada sitio está ocupado por una partícula que puede estar en dos estados, representada como un giro hacia arriba o hacia abajo.

Durante sus años de posgrado, Khemani, su consejero de doctorado Shivaji Sondhi, entonces en la Universidad de Princeton, y Achilleas Lazarides y Roderich Moessner en el Instituto Max Planck de Física de Sistemas Complejos se toparon con esta receta para hacer cristales de tiempo sin querer. Estaban estudiandosistemas localizados de muchos cuerpos sin equilibrio: sistemas en los que las partículas se "atascan" en el estado en el que comenzaron y nunca pueden relajarse hasta un estado de equilibrio. Estaban interesados ​​en explorar las fases que podrían desarrollarse en tales sistemas cuando se encuentran periódicamente"pateado" por un láser. No solo lograron encontrar fases estables de no equilibrio, sino que encontraron una en la que los giros de las partículas cambiaban entre patrones que se repiten en el tiempo para siempre, en un período dos veces mayor que el período de conducción del láser., haciendo así un cristal de tiempo.

La patada periódica del láser establece un ritmo específico para la dinámica. Normalmente, el "baile" de los giros debe sincronizarse con este ritmo, pero en un cristal de tiempo no lo hace. En cambio, los giros cambian entre dos estados,completar un ciclo solo después de haber sido pateado por el láser dos veces . Esto significa que la "simetría de traslación del tiempo" del sistema está rota. Las simetrías juegan un papel fundamental en la física, y a menudo se rompen, lo que explica los orígenes de cristales regulares, imanes y muchos otros fenómenos; sin embargo, la simetría de traslación del tiempo se mantieneporque, a diferencia de otras simetrías, no se puede romper en equilibrio. La patada periódica es una laguna que hace posible los cristales de tiempo.

La duplicación del período de oscilación es inusual, pero no sin precedentes. Y las oscilaciones de larga duración también son muy comunes en la dinámica cuántica de sistemas de pocas partículas. Lo que hace que un cristal de tiempo sea único es que es un sistema de millones de cosas queestán mostrando este tipo de comportamiento concertado sin que entre energía o goteando

"Es una fase completamente robusta de la materia, en la que no estás ajustando parámetros o estados, pero tu sistema sigue siendo cuántico", dijo Sondhi, profesor de física en Oxford y coautor del artículo.de energía, no hay pérdida de energía, y continúa para siempre e involucra muchas partículas que interactúan fuertemente ".

Si bien esto puede parecer sospechosamente parecido a una "máquina de movimiento perpetuo", una mirada más cercana revela que los cristales de tiempo no rompen ninguna ley de la física. La entropía, una medida del desorden en el sistema, permanece estacionaria en el tiempo, marginalmentesatisfaciendo la segunda ley de la termodinámica al no disminuir.

Entre el desarrollo de este plan para un cristal de tiempo y el experimento de la computadora cuántica que lo hizo realidad, muchos experimentos de diferentes equipos de investigadores lograron varios hitos de cristal de tiempo casi. Sin embargo, proporcionar todos los ingredientes en la receta paraLa "localización de muchos cuerpos" el fenómeno que permite un cristal de tiempo infinitamente estable seguía siendo un desafío sobresaliente.

Para Khemani y sus colaboradores, el paso final para medir el éxito del cristal fue trabajar con un equipo de Google Quantum AI. Juntos, este grupo utilizó el hardware de computación cuántica Sycamore de Google para programar 20 "giros" utilizando la versión cuántica de los bits de una computadora clásica.de información, conocida como qubits.

Revelando cuán intenso es el interés en los cristales de tiempo en la actualidad, se publicó otro cristal de tiempo en ciencia este mes. Ese cristal fue creado usando qubits dentro de un diamante por investigadores de la Universidad Tecnológica de Delft en los Países Bajos.

oportunidades cuánticas

Los investigadores pudieron confirmar su afirmación de un cristal de tiempo real gracias a las capacidades especiales de la computadora cuántica. Aunque el tamaño finito y el tiempo de coherencia del dispositivo cuántico imperfecto significaron que su experimento fue limitado en tamaño y duración -para que las oscilaciones del cristal de tiempo solo pudieran observarse durante unos pocos cientos de ciclos en lugar de indefinidamente, los investigadores idearon varios protocolos para evaluar la estabilidad de su creación. Estos incluían ejecutar la simulación hacia adelante y hacia atrás en el tiempo y escalar su tamaño.

"Logramos utilizar la versatilidad de la computadora cuántica para ayudarnos a analizar sus propias limitaciones", dijo Moessner, coautor del artículo y director del Instituto Max Planck de Física de Sistemas Complejos. "Básicamente, nos dijo cómopara corregir sus propios errores, de modo que la huella digital del comportamiento cristalino en el tiempo ideal pudiera determinarse a partir de observaciones en tiempo finito ".

Una firma clave de un cristal de tiempo ideal es que muestra oscilaciones indefinidas desde todos afirma. Verificar esta solidez a la elección de estados fue un desafío experimental clave, y los investigadores diseñaron un protocolo para sondear más de un millón de estados de su cristal de tiempo en una sola ejecución de la máquina, requiriendo meros milisegundos de tiempo de ejecución. Esto escomo ver un cristal físico desde muchos ángulos para verificar su estructura repetitiva.

"Una característica única de nuestro procesador cuántico es su capacidad para crear estados cuánticos altamente complejos", dijo Xiao Mi, investigador de Google y coautor principal del artículo. "Estos estados permiten que las estructuras de fase de la materia sean efectivasverificado sin necesidad de investigar todo el espacio computacional, una tarea que de otro modo sería intratable ".

Crear una nueva fase de la materia es indudablemente emocionante en un nivel fundamental. Además, el hecho de que estos investigadores hayan podido hacerlo apunta a la creciente utilidad de las computadoras cuánticas para aplicaciones distintas de la informática. "Soy optimista de que con másy mejores qubits, nuestro enfoque puede convertirse en un método principal para estudiar la dinámica de no equilibrio ", dijo Pedram Roushan, investigador de Google y autor principal del artículo.

"Creemos que el uso más interesante de las computadoras cuánticas en este momento es como plataformas para la física cuántica fundamental", dijo Ippoliti. "Con las capacidades únicas de estos sistemas, existe la esperanza de que puedas descubrir algún fenómeno nuevo que no habías hecho.predicho."

Este trabajo fue dirigido por la Universidad de Stanford, Google Quantum AI, el Instituto Max Planck de Física de Sistemas Complejos y la Universidad de Oxford. La lista completa de autores está disponible en Naturaleza papel.

Esta investigación fue financiada por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa DARPA, un Premio de Investigación de Google, la Fundación Sloan, la Fundación Gordon y Betty Moore y la Deutsche Forschungsgemeinschaft.


Fuente de la historia :

Materiales proporcionado por Universidad de Stanford . Original escrito por Taylor Kubota. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.


Referencia de la revista :

  1. Mi, X., Ippoliti, M., Quintana, C. et al. Orden de estado propio cristalino en el tiempo en un procesador cuántico . Naturaleza , DOI 2021 : 10.1038 / s41586-021-04257-w

cite esta página :

Universidad de Stanford. "Cristal de tiempo en una computadora cuántica". ScienceDaily. ScienceDaily, 30 de noviembre de 2021. .
Universidad de Stanford. 2021, 30 de noviembre. Cristal de tiempo en una computadora cuántica. ScienceDaily . Consultado el 30 de noviembre de 2021 en www.science-things.com/releases/2021/11/211130130231.htm
Universidad de Stanford. "Time crystal in a quantum computer". ScienceDaily. Www.science-things.com/releases/2021/11/211130130231.htm consultado el 30 de noviembre de 2021.

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