Al disparar un pulso láser de Fibonacci a los átomos dentro de una computadora cuántica, los físicos han creado una fase de materia completamente nueva y extraña que se comporta como si tuviera dos dimensiones de tiempo.
La nueva fase de la materia, creada mediante el uso de láseres para sacudir rítmicamente una hebra de 10 iones de iterbio, permite a los científicos almacenar información de una manera mucho más protegida contra errores, lo que abre el camino a las computadoras cuánticas que pueden retener datos durante mucho tiempo sin volverse confuso. Los investigadores describieron sus hallazgos en un artículo publicado el 20 de julio en la revista Nature.
La inclusión de una dimensión de tiempo «extra» teórica «es una forma completamente diferente de pensar sobre las fases de la materia», dijo en un comunicado el autor principal Philipp Dumitrescu, investigador del 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».
Los físicos no se propusieron crear una fase con una dimensión de tiempo adicional teórica, ni estaban buscando un método para permitir un mejor almacenamiento de datos cuánticos. En cambio, estaban interesados en crear una nueva fase de la materia, una nueva forma en la que la materia puede existir, más allá del estándar sólido, líquido, gas, plasma.
Comenzaron a construir la nueva fase en el procesador cuántico H1 de la compañía de computadoras cuánticas Quantinuum, que consta de 10 iones de iterbio en una cámara de vacío que son controlados con precisión por láseres en un dispositivo conocido como trampa de iones.
Las computadoras ordinarias usan bits, o 0 y 1, para formar la base de todos los cálculos. Las computadoras cuánticas están diseñadas para usar qubits, que también pueden existir en un estado de 0 o 1. Pero ahí es donde terminan 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 cúbits se vinculen a través del entrelazamiento cuántico, un proceso que Albert Einstein denominó «acción espeluznante 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, incluso si están separados por grandes distancias. Esto le da a las computadoras cuánticas la capacidad de realizar múltiples cálculos simultáneamente, aumentando exponencialmente su poder de procesamiento sobre el de los dispositivos clásicos.
Pero el desarrollo de las computadoras cuánticas se ve frenado por un gran defecto: los Qubits no solo interactúan y se enredan entre sí; debido a que no pueden aislarse perfectamente del entorno fuera de la computadora cuántica, 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 mantiene todos los átomos bajo un estricto control, pueden perder su ‘cuanticidad’ al hablar con su entorno, calentarse o interactuar con las cosas de una manera que no planeó», dijo Dumitrescu.
Para sortear estos molestos efectos de decoherencia y crear una fase nueva y estable, los físicos buscaron un conjunto especial de fases llamadas fases topológicas. El entrelazamiento cuántico no solo permite que los dispositivos cuánticos codifiquen información a través de las posiciones singulares y estáticas de los cúbits, sino que también los entrelaza con los movimientos dinámicos y las interacciones de todo el material, en la forma o topología misma 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 parte, lo que hace que la fase sea mucho menos probable que pierda su información.
Un sello distintivo clave de pasar de una fase a otra es la ruptura de las simetrías físicas: la idea de que las leyes de la física son las mismas para un objeto en cualquier momento o espacio. Como líquido, las moléculas del agua siguen las mismas leyes físicas en todos los puntos del espacio y en todas las direcciones.
Pero si 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 otros puntos vacíos; la simetría espacial del agua se ha roto espontáneamente.
La creación de una nueva fase topológica dentro de una computadora cuántica también se basa en la ruptura de la simetría, pero con esta nueva fase, la simetría no se rompe en el espacio, sino en el tiempo.
Al dar a cada ion 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, donde los qubits siguen siendo los mismos en ciertos intervalos de tiempo, lo que crearía una fase topológica rítmica en todo el material.
Pero el experimento fracasó. En lugar de inducir una fase topológica que fuera inmune a los efectos de decoherencia, los pulsos láser regulares amplificaron el ruido desde el exterior del sistema, destruyéndolo en menos de 1,5 segundos después de que se encendió.
Después de 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 hebra de iones para disminuir las probabilidades de que el sistema se codificara. Para hacer esto, decidieron encontrar un patrón de pulso que no se repitiera de manera simple y regular pero que, sin embargo, mostrara algún tipo de simetría superior a lo largo del tiempo.
