Crean una extraña fase de la materia con dos dimensiones temporales

La nueva y alucinante propiedad ofrece un codiciado beneficio: la información almacenada en esa fase de la materia tan especial está mucho más protegida contra errores que la de cualquier otra configuración que se use actualmente en las computadoras cuánticas. Es decir, que la información puede existir sin degradarse durante un tiempo mucho más largo, un hito largamente buscado para conseguir que la computación cuántica sea viable y pase de los laboratorios a la realidad.

Según explica Dumitrescu, «el uso de una dimensión de tiempo 'extra' 'es una forma completamente diferente de pensar sobre las fases de la materia. He estado trabajando en estas ideas teóricas durante más de cinco años, y ver cómo se materializan en experimentos es emocionante».

La parte teórica del trabajo, encabezada por el propio Dumitrescu, contó también con Andrew Potter, de la Universidad de Columbia Británica en Vancouver; Romain Vasseur, de la Universidad de Massachusetts; y Amherst y Ajesh Kumar, de la Universidad de Texas en Austin. Los experimentos, por su parte, fueron llevados a cabo por un equipo dirigido por Brian Neyenhuis, en una computadora cuántica en Quantinuum en Broomfield, Colorado.

El 'caballo de batalla' utilizado por el equipo en su computadora cuántica fueron 10 iones atómicos de un elemento llamado iterbio. Cada ion fue retenido y controlado individualmente por campos eléctricos producidos por una trampa de iones, de modo que podía manipularse o medirse mediante pulsos de láser.

Cada uno de esos iones atómicos actuó como 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, igual que el famoso gato de Schrödinger está vivo y muerto dentro de su caja, un qubit puede ser un 0, un 1 o una combinación, o una 'superposición' de ambos. Esa densidad de información adicional y la forma en que los qubits interactúan entre sí permiten 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 (lo veremos vivo o muerto), lo mismo sucede al interactuar con un qubit. Y esa interacción, para colmo, ni siquiera tiene que ser deliberada. «Incluso si mantienes todos los átomos bajo un estricto control, pueden perder su carácter cuántico al 'hablar' con su entorno, calentarse o interactuar con las 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 conseguir que los qubits sean más robustos. Y para hacer eso, los físicos pueden usar 'simetrías', que esencialmente son propiedades que resisten mejor el cambio. (Un copo de nieve, por ejemplo, tiene simetría rotacional porque se ve igual cuando se gira 60 grados). Un método muy utilizado consiste en agregar simetría temporal haciendo estallar los átomos con pulsos láser rítmicos. Un enfoque que sin duda ayuda, pero que Dumitrescu y sus colaboradores quisieron llevar más allá. De este modo, 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 considerar algo que sea ordenado pero no repetitivo, como por ejemplo los 'cuasicristales'. Un cristal típico tiene una estructura regular y repetitiva, como los hexágonos en un panal. Un cuasicristal, sin embargo, y aunque todavía tiene orden, sigue patrones que nunca se repiten. Y 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 de Penrose 2-D, por ejemplo, es una porción proyectada de una red cristalina de 5-D.

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 es la suma de las dos partes anteriores (A, AB, ABA, ABAAB, ABAABABA, etc.). Este arreglo, al igual que un cuasicristal, se ordena sin repetirse. Y, similar a un cuasicristal, es un patrón 2D aplastado en una sola dimensión. Ese 'aplanamiento dimensional' da como resultado, teóricamente, 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 increíblemente complejas, por lo que aún no se ha demostrado si los beneficios que la teoría promete perdurarían en los qubits del mundo real.

De modo que los investigadores 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 (o bordes) de la alineación de 10 átomos; ahí es donde los científicos esperaban ver la nueva fase de la materia experimentando dos simetrías temporales a la vez. En la prueba periódica, los qubits del borde permanecieron cuánticos durante alrededor de 1,5 segundos, lo que ya es una duración impresionante. Pero con el patrón cuasi-periódico, los qubits se mantuvieron cuánticos durante todo el experimento, alrededor de 5,5 segundos. Y eso, según Dumitrescu, se debe a que la simetría de tiempo adicional proporcionó más protección.

«Con esta secuencia cuasi periódica -explica el investigador- hay una evolución complicada que cancela todos los errores que viven en el borde. Debido a eso, el límite se mantiene coherente desde el punto de vista mecánico-cuántico durante mucho, mucho más tiempo de lo que cabría esperar'.

Aunque los hallazgos demuestran que la nueva fase de la materia puede soportar el almacenamiento de información cuántica a largo plazo, los investigadores aún necesitan integrar funcionalmente la fase con una computadora cuántica real. «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».