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.

Las computadoras ordinarias usan bits, o 0 y 1, para formar la base de todos los cálculos. Las computadoras cuánticas están diseñadas para usar cúbits, 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 cúbits pueden existir en una combinación, o superposición, de los estados 0 y 1 hasta el momento en que se miden, momento en el cual 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 cúbits 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 cúbits no solo interactúan y se entrelazan 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 comunicarse con su entorno, calentarse o interactuar con las cosas de una manera que no planeó», explicó Philipp Dumitrescu, investigador del Centro de Física Cuántica Computacional del Instituto Flatiron en la ciudad de Nueva York.

Entra Fibonacci

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 —entrelazando también los movimientos dinámicos y las interacciones de todo el material (cúbit topológico)—.

La creación de una nueva fase topológica dentro de una computadora cuántica 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 de tiempo continuo de los iones en reposo e imponer su propia simetría de tiempo, donde los cúbits permanecen iguales en ciertos intervalos de tiempo, lo que crearía una fase topológica rítmica a través del material.

En esta computadora cuántica, los físicos crearon una fase de la materia nunca antes vista que actúa como si el tiempo tuviera dos dimensiones. La fase podría ayudar a proteger la información cuántica de la destrucción durante mucho más tiempo que los métodos actuales. Crédito: Quantinuum.

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.

Esto los llevó a la sucesión de Fibonacci, en la que el siguiente número de la sucesión se crea sumando los dos anteriores. Mientras que un pulso de láser periódico simple podría alternar entre dos fuentes de láser (A, B, A, B, A, B, etc.), su nuevo tren de pulso funcionaba combinando los dos pulsos anteriores (A, AB, ABA, ABAAB, ABAABABA, etc.).

Este pulso de Fibonacci creó una simetría temporal que se ordenó sin repetirse nunca. Y al igual que un cuasicristal, los pulsos de Fibonacci también aplastaron un patrón dimensional más alto en una superficie dimensional más baja. Al observar el patrón de pulso, los científicos vieron que dos simetrías de tiempo teóricas se aplanaron en una sola física.

Al igual que un cuasicristal, los pulsos de Fibonacci también aplastan un patrón dimensional más alto en una superficie dimensional más baja. En el caso de un cuasicristal espacial como el mosaico de Penrose (imagen), una rebanada de una red de cinco dimensiones se proyecta sobre una superficie de dos dimensiones.

«El sistema esencialmente obtiene una simetría adicional de una dimensión de tiempo adicional inexistente», escribieron los investigadores en el comunicado. El sistema aparece como un material que existe en una dimensión superior con dos dimensiones de tiempo, incluso si esto puede ser físicamente imposible en la realidad.

Cuando el equipo lo probó, el nuevo pulso cuasiperiódico de Fibonacci creó una fase topográfica que protegió al sistema de la pérdida de datos durante los 5,5 segundos completos de la prueba. De hecho, habían creado una fase que era inmune a la decoherencia durante mucho más tiempo que otras.

«Con esta secuencia casi periódica, hay una evolución complicada que cancela todos los errores que viven al límite», dijo Dumitrescu. «Debido a eso, el borde se mantiene coherente cuánticamente mucho, mucho más de lo que cabría esperar».

Aunque los físicos lograron su objetivo, queda un obstáculo para hacer de su fase una herramienta útil para los programadores cuánticos: integrarla con el lado computacional de la computación cuántica para que pueda ingresarse con cálculos.

«Tenemos esta aplicación directa y tentadora, pero necesitamos encontrar una manera de incorporarla a los cálculos», reconoció Dumitrescu. «Ese es un problema abierto en el que estamos trabajando».

Los investigadores describieron sus hallazgos en un artículo publicado el 20 de julio en la revista Nature.

Fuente: Simons Foundation/LSci. Edición: MP.