Un equipo de físicos asegura que ha logrado crear una nueva fase de la materia disparando pulsos láser que leen la secuencia de Fibonacci en una computadora cuántica en Colorado. La nueva fase de materia se basa en una peculiaridad de la secuencia de Fibonacci para permanecer en estado cuántico durante más tiempo.
La materia ordinaria puede estar en una fase (o estado) sólida, líquida, gaseosa o plásmica sobrecalentada. De igual manera, los materiales cuánticos también tienen fases. La fase se refiere a cómo está estructurada la materia a nivel atómico, en otras palabras, la disposición de sus átomos o sus electrones.
Hace varios años, los físicos descubrieron un supersólido cuántico. El año pasado, un equipo confirmó la existencia de líquidos de espín cuántico, una fase de la materia cuántica que se sospechaba desde hace mucho tiempo, en un simulador. Lo que ha hecho el equipo reciente es descubrir otra nueva fase.
Los bits cuánticos, o qubits, son como los bits normales de computadora en el sentido de que sus valores pueden ser 0 o 1. Sin embargo, a diferencia de los bits de computadora, los qubits también pueden ser 0 y 1 simultáneamente. Este estado de ambigüedad permite a las computadoras cuánticas considerar muchas soluciones posibles a un problema de manera mucho más rápida que una computadora ordinaria.
Algún día, las computadoras cuánticas deberían poder resolver problemas que las computadoras clásicas no pueden. En el interior de las computadoras cuánticas, los qubits son a menudo átomos. En el caso reciente, por ejemplo, los investigadores utilizaron 10 iones de iterbio, que fueron controlados mediante campos eléctricos y manipulados con pulsos de láser. Cuando los estados de múltiples qubits se pueden describir en relación entre sí, los qubits se consideran entrelazados.
El entrelazamiento cuántico es un delicado acuerdo entre múltiples qubits en un sistema, y ese acuerdo se disuelve en el momento en que los valores de cualquiera de esos bits sean ciertos. En ese momento, el sistema pierde la coherencia y la operación cuántica se desmorona. En consonancia, uno de los grandes desafíos de la computación cuántica es precisamente mantener el estado cuántico de los qubits. Las más mínimas fluctuaciones en la temperatura, las vibraciones o los campos electromagnéticos pueden hacer que los supersensibles qubits pierdan coherencia y sus cálculos se desmoronen. Cuanto más tiempo permanezcan cuánticos los qubits, más se puede hacer, por lo tanto, lograr que los estados cuánticos de las computadoras persistan el mayor tiempo posible es un paso crucial para esta tecnología.
En la investigación reciente, pulsar un láser periódicamente en los 10 qubits de iterbio los mantuvo en un estado cuántico, es decir, entrelazados, durante 1,5 segundos. Pero cuando los investigadores pulsaron los láseres siguiendo el patrón de la secuencia de Fibonacci, descubrieron que los qubits en el borde del sistema permanecieron en un estado cuántico durante aproximadamente 5,5 segundos. Los qubits podrían haber permanecido en un estado cuántico durante más tiempo, pero el equipo finalizó el experimento en la marca de 5,5 segundos. Su investigación fue publicada este verano en Nature.
La razón de este cambio es que los pulsos de láser en secuencia de Fibonacci son como dos frecuencias que nunca se superponen. Eso hace que los pulsos sean un cuasicristal: un patrón que tiene orden, pero no periodicidad. “El resultado clave fue mostrar la diferencia entre estas dos formas diferentes de diseñar estados cuánticos, y cómo uno era mejor para protegerlo de errores que el otro”, explica el coautor del estudio, Justin Bohnet, ingeniero cuántico en Quantinuum, la empresa cuya computadora se utilizó en este experimento.
La sucesión de Fibonacci es un patrón numérico en el que cada número es la suma de los dos números anteriores (es decir, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, etc.). Su historia se remonta a hace más de 2.000 años, y está relacionada con la llamada proporción áurea. Ahora, la serie única puede tener implicaciones cuánticas. “Resulta que si diseñas pulsos de láser de la manera correcta, su sistema cuántico puede tener simetrías que provienen de la traslación del tiempo”, dijo Philipp Dumitrescu, autor principal del artículo y físico cuántico que realizó el trabajo mientras estaba en el Instituto Flatiron.
Una simetría de traslación temporal significa que un experimento producirá el mismo resultado, independientemente de si se lleva a cabo hoy, mañana o dentro de 100 años. “Nos dimos cuenta es que al usar secuencias cuasi periódicas basadas en el patrón de Fibonacci, podíamos hacer que el sistema se comporte como si hubiera dos direcciones de tiempo distintas”, agregó Dumitrescu.
Disparar los qubits con pulsos láser con un patrón periódico (un simple A-B-A-B) no prolongó el estado cuántico del sistema. Pero al pulsar el láser en una secuencia de Fibonacci (A-AB-ABA-ABAAB, etc.), los investigadores dieron a los qubits un patrón no repetitivo o casi periódico. La idea es similar a los cuasicristales del sitio de prueba nuclear Trinity, pero en lugar de ser un cuasicristal tridimensional, los físicos crearon un cuasicristal en el tiempo. En ambos casos, las simetrías que existen en dimensiones más altas se pueden proyectar en una dimensión más baja, como los patrones teselados en un mosaico bidimensional de Penrose.
“Con esta secuencia cuasi periódica, proporcionamos al sistema una evolución complicada que cancela todos los errores que se producen al borde”, explicó Dumitrescu en un comunicado de la Fundación Simons. Por el borde, se refiere a los qubits más alejados del centro de su configuración en cualquier momento. “Debido a eso, el borde se mantiene coherente desde el punto de vista mecánico-cuántico mucho más de lo que cabría esperar”.
Los pulsos láser con patrón de Fibonacci hicieron que los qubits de borde fueran más robustos. Los sistemas cuánticos más robustos y de mayor duración son una necesidad vital para el futuro de la computación cuántica. Si hace falta disparar qubits siguiendo un ritmo matemático muy específico de pulsos láser para mantener una computadora cuántica en un estado entrelazado, entonces es más vale que los físicos comiencen a afinar sus láseres.