Física Cuántica / Informática

Crean una "dimensión extra" del tiempo para proteger a los ordenadores cuánticos

Permitiría reducir notablemente los errores en la información cuántica

Crean una "dimensión extra" del tiempo para proteger a los ordenadores cuánticos

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Pablo Javier Piacente

Al disparar un pulso láser a los átomos dentro de un ordenador cuántico siguiendo la secuencia de Fibonacci, los físicos han creado una fase completamente nueva y extraña de la materia, que se comporta como si tuviera dos dimensiones de tiempo. La nueva fase podría ayudar a proteger la información cuántica de su destrucción durante mucho más tiempo que los métodos actuales.

En un nuevo estudio publicado recientemente en la revista Nature, un grupo de científicos estadounidenses logró demostrar que al someter los cúbits de un ordenador cuántico a pulsos láser cuasi-rítmicos, basados en la secuencia de Fibonacci, se obtiene una forma de almacenar información cuántica que es menos propensa a errores. El equipo de físicos fue liderado por Philipp Dumitrescu, del Centro de Física Cuántica Computacional del Instituto Flatiron, perteneciente a la Fundación Simons, en Nueva York.

Según una nota de prensa, el proceso crea una fase de la materia nunca antes apreciada: dicha fase aprovecha los beneficios de dos dimensiones de tiempo, aunque actúa bajo un solo flujo de tiempo singular, como lo indica la realidad. La información almacenada en esta exótica fase está mucho más protegida contra errores, con relación a las configuraciones alternativas que se usan actualmente en los ordenadores cuánticos. 

De esta manera, la información puede existir sin que se confunda o perturbe durante mucho más tiempo, un hito trascendental para lograr que los ordenadores cuánticos sean viables en la vida práctica. Además de su aplicación concreta, el enfoque de una dimensión de tiempo "extra" marca una forma completamente distinta de concebir las fases de la materia. 

Secuencias y simetrías

La sucesión, secuencia o serie de Fibonacci es una progresión infinita de números naturales: comienza con los números 0 y 1, pero a partir de estos cada término es la suma de los dos anteriores, marcando una relación de recurrencia que define la serie. Una relación de recurrencia, en tanto, es una ecuación en la que cada parte o elemento es definida como una función de términos anteriores.

La secuencia de Fibonacci es mucho más que un ejercicio matemático. Definida por Leonardo de Pisa o Fibonacci, matemático italiano del siglo XIII, se emplea en informática, matemática y teoría de juegos, entre otras especialidades. Además, puede apreciarse en configuraciones biológicas: las ramas de los árboles, la disposición de las hojas en el tallo o la forma en que el ADN codifica el crecimiento de formas orgánicas complejas son algunos ejemplos.

El problema de los escurridizos cúbits

En el experimento, los científicos utilizaron 10 iones atómicos de un elemento llamado iterbio: cada uno de ellos fue retenido y controlado individualmente por campos eléctricos producidos por una trampa de iones, y pudo manipularse o medirse mediante pulsos de láser. Cada uno de esos iones atómicos sirvió como un bit cuántico o cúbit en el ordenador cuántico utilizado para el experimento.

La idea de los científicos estadounidenses fue sumar una nueva dimensión de tiempo para robustecer a los cúbits. Gracias a esto, se logra reducir la incertidumbre que genera su manipulación, ya que la observación directa o indirecta o incluso la interacción con otros elementos puede perturbarlos y suprimir su carácter cuántico.

Vale recordar que mientras los ordenadores tradicionales cuantifican la información en bits, donde cada uno representa un 0 o un 1, los cúbits utilizados por los ordenadores cuánticos aprovechan la extrañeza de la mecánica cuántica para almacenar aún más información. Así como el gato de Schrödinger puede estar vivo y muerto en su caja, un cúbit puede ser un 0, un 1 o una superposición de ambos. Esto hace posible una densidad de información adicional, permitiendo que la informática cuántica aborde problemas computacionales que superan el alcance de los ordenadores convencionales.

A pesar de esto, la observación o la interacción pueden generar que el gato de Schrödinger esté vivo o muerto en la caja, y de la misma manera pueden provocar que un cúbit pierda su esencia cuántica. Para evitarlo, los físicos intentan aplicar simetrías o propiedades que resisten el cambio. Una posibilidad era agregar simetría temporal haciendo estallar los átomos con pulsos láser rítmicos, pero Dumitrescu y su equipo fueron más allá: en lugar de solo una simetría de tiempo, intentaron sumar dos, mediante el uso de pulsos de láser ordenados pero no repetitivos.

Dos dimensiones de tiempo es igual a más coherencia

Un ejemplo puede servir para explicarlo: mientras un cristal típico tiene una estructura repetitiva y regular, como los hexágonos en un panal de abejas, un cuasicristal todavía tiene orden, pero sus patrones nunca se repiten, como sucede en el conocido mosaico de Penrose. Los científicos estadounidenses aplicaron la estructura del cuasicristal a la forma en la que “inyectaron” los pulsos de láser: lo hicieron de una forma regular y ordenada pero siempre diferente, “engañando” de esta manera a los cúbits. 

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Obtuvieron como resultado dos simetrías de tiempo en lugar de solo una: el sistema esencialmente obtiene una simetría adicional de una dimensión de tiempo extra e inexistente, que de esta manera también constituye una nueva fase teórica de la materia. A futuro, los investigadores creen que este enfoque renovador podrá permitir mantener por mucho más tiempo la información almacenada en los cúbits y su coherencia, dando un gran paso en la búsqueda de ordenadores cuánticos realmente operativos. 

Referencia

Dynamical topological phase realized in a trapped-ion quantum simulator. Dumitrescu, P.T., Bohnet, J.G., Gaebler, J.P. et al. Nature (2022). DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-022-04853-4