Tecnologia Científica

Usando novas arquiteturas de computação quântica para criar cristais de tempo
Chegou a hora dos cristais do tempo. Desde a proposta original de Yao, novos insights levaram à descoberta de que os cristais do tempo vêm em muitas formas diferentes, cada uma estabilizada por seu próprio mecanismo distinto.
Por Robert Sanders - 09/11/2021


Impressão artística de um cristal de tempo discreto composto de nove qubits representados pelos spins nucleares de nove átomos de carbono-13 no diamante. A cadeia de spins conectados é travada em uma fase em que eles invertem periodicamente seus estados. Crédito: Joe Randall e Tim Taminiau, cortesia da QuTech

O físico Norman Yao, da UC Berkeley, descreveu pela primeira vez há cinco anos como fazer um cristal do tempo - uma nova forma de matéria cujos padrões se repetem no tempo em vez do espaço. Ao contrário dos cristais de esmeralda ou rubi, entretanto, esses cristais de tempo existiram por apenas uma fração de segundo.

Mas chegou a hora dos cristais do tempo. Desde a proposta original de Yao, novos insights levaram à descoberta de que os cristais do tempo vêm em muitas formas diferentes, cada uma estabilizada por seu próprio mecanismo distinto.

Usando novas arquiteturas de computação quântica, vários laboratórios chegaram perto de criar uma versão localizada de muitos corpos de um cristal de tempo, que usa desordem para manter qubits quânticos acionados periodicamente em um estado contínuo de agitação subarmônica - os qubits oscilam, mas apenas uns aos outros período da movimentação.

Em um artigo publicado na revista Science na semana passada, Yao e colegas da QuTech - uma colaboração entre a Delft University of Technology e o TNO, um grupo de pesquisa independente na Holanda - relataram a criação de um cristal de tempo discreto localizado de muitos corpos que durou por cerca de oito segundos, correspondendo a 800 períodos de oscilação. Eles usaram um computador quântico baseado em um diamante, onde os qubits - bits quânticos, o analógico dos bits binários em computadores digitais - são os spins nucleares de átomos de carbono-13 embutidos dentro do diamante.

"Embora um cristal de tempo perfeitamente isolado possa, em princípio, viver para sempre, qualquer implementação experimental real se deteriorará devido às interações com o ambiente", disse Joe Randall da QuTech. "Prolongar ainda mais a vida útil é a próxima fronteira."

Os resultados, postados pela primeira vez neste verão no arXiv, foram replicados em um experimento quase simultâneo por pesquisadores do Google, Stanford e Princeton, usando o computador quântico supercondutor do Google, Sycamore. Essa demonstração empregou 20 qubits feitos de tiras de alumínio supercondutor e durou cerca de oito décimos de segundo. Os cristais do tempo do Google e da QuTech são chamados de fases Floquet da matéria, que são um tipo de material sem equilíbrio.

“É extremamente empolgante que várias descobertas experimentais estejam acontecendo simultaneamente”, disse Tim Taminiau, pesquisador-chefe da QuTech. "Todas essas plataformas diferentes se complementam. O experimento do Google usa duas vezes mais qubits; nosso cristal do tempo vive cerca de 10 vezes mais."

A equipe de Qutech manipulou os nove qubits de carbono-13 da maneira certa para satisfazer os critérios para formar um cristal de tempo localizado de muitos corpos.

"Um cristal de tempo é talvez o exemplo mais simples de uma fase de não equilíbrio da matéria", disse Yao, professor associado de física da UC Berkeley. "O sistema QuTech está perfeitamente preparado para explorar outros fenômenos fora de equilíbrio, incluindo, por exemplo, fases topológicas Floquet."

Esses resultados seguem os passos de outra época de avistamento de cristais, envolvendo também o grupo de Yao, publicado na Science há vários meses. Lá, os pesquisadores observaram um chamado cristal de tempo pré-termal, onde as oscilações sub-harmônicas são estabilizadas por meio de condução de alta frequência. Os experimentos foram realizados no laboratório de Monroe na Universidade de Maryland usando uma cadeia unidimensional de íons atômicos aprisionados, o mesmo sistema que observou as primeiras assinaturas da dinâmica cristalina do tempo há mais de cinco anos. Curiosamente, ao contrário do cristal de tempo localizado de muitos corpos, que representa uma fase de Floquet quântica inatamente, os cristais de tempo pré-termais podem existir como fases quânticas ou clássicas da matéria.

Muitas questões em aberto permanecem. Existem aplicações práticas para os cristais de tempo ? A dissipação pode ajudar a estender a vida útil de um cristal? E, de maneira mais geral, como e quando os sistemas quânticos dirigidos se equilibram? Os resultados relatados demonstram que os defeitos de spin em sólidos são uma plataforma flexível para estudar experimentalmente essas importantes questões em aberto na física estatística.

"A capacidade de isolar os spins de seu ambiente e, ao mesmo tempo, controlar suas interações oferece uma oportunidade incrível de estudar como as informações são preservadas ou perdidas", disse o estudante de graduação da UC Berkeley, Francisco Machado. "Será fascinante ver o que vem a seguir."

 

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