Google quer criar cristais de tempo com computadores quânticos

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Em parceria com a universidade de Stanford, Google quer criar os cristais de tempo em computadores quânticos. (Getty Images)
  • Em parceria com a universidade de Stanford, Google quer criar os cristais nos computadores

  • Ideia da equipe é para explorar novos sistemas no campo da física da matéria condensada

  • A criação de uma nova fase da matéria chamada “cristal do tempo”

Há um enorme esforço global para projetar um computador capaz de aproveitar o poder da física quântica para realizar cálculos de complexidade sem precedentes. Embora obstáculos tecnológicos ​​ainda impeçam a criação de tal computador quântico, os primeiros protótipos de hoje ainda são capazes de feitos notáveis.

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Por exemplo, a criação de uma nova fase da matéria chamada de "cristal do tempo". Assim como a estrutura de um cristal se repete no espaço, um cristal de tempo se repete no tempo e, mais importante, o faz infinitamente e sem qualquer entrada adicional de energia - como um relógio que funciona para sempre sem baterias. A busca para realizar essa fase da matéria tem sido um desafio de longa data na teoria e na experiência - que agora finalmente se concretizou.

Em pesquisa publicada em 30 de novembro de 2021 na revista Nature, uma equipe de cientistas da Universidade de Stanford, Google Quantum AI, Instituto Max Planck de Física de Sistemas Complexos e Universidade de Oxford detalham a criação de um cristal de tempo usando a computação quântica Sycamore do Google hardware.

Para a equipe, a empolgação de sua realização reside não apenas na criação de uma nova fase da matéria, mas na abertura de oportunidades para explorar novos regimes em seu campo de física da matéria condensada, que estuda os novos fenômenos e propriedades trazidos pelas interações coletivas de muitos objetos em um sistema.

Cristais de tempo são base de estudos físicos nas últimas décadas

Os ingredientes básicos para fazer este cristal do tempo são os seguintes: o equivalente físico de uma mosca de fruta e algo para dar um pontapé nela. A mosca-da-fruta da física é o modelo de Ising, uma ferramenta de longa data para a compreensão de vários fenômenos físicos - incluindo transições de fase e magnetismo - que consiste em uma rede onde cada local é ocupado por uma partícula que pode estar em dois estados, representada como um spin up ou para baixo.

Professores e alunos de Stanford estavam estudando sistemas localizados de muitos corpos em desequilíbrio - sistemas onde as partículas ficam “presas” no estado em que começaram e nunca podem relaxar em um estado de equilíbrio. Eles estavam interessados ​​em explorar as fases que podem se desenvolver em tais sistemas quando são periodicamente “chutados” por um laser. 

Eles não apenas conseguiram encontrar fases estáveis ​​de desequilíbrio, como também encontraram uma em que os spins das partículas alternavam entre padrões que se repetem no tempo para sempre, em um período duas vezes maior do que o período de condução do laser, formando assim um cristal de tempo.

Chute periódico estabelece ritmo para dinâmica

O chute periódico do laser estabelece um ritmo específico para a dinâmica. Normalmente, a "dança" dos giros deve sincronizar com este ritmo, mas em um cristal de tempo isso não acontece. Em vez disso, os spins mudam entre dois estados, completando um ciclo apenas depois de serem chutados pelo laser duas vezes. Isso significa que a “simetria de tradução de tempo” do sistema foi quebrada. 

As simetrias desempenham um papel fundamental na física, e muitas vezes são quebradas - explicando as origens dos cristais regulares, ímãs e muitos outros fenômenos; no entanto, a simetria da tradução no tempo se destaca porque, ao contrário de outras simetrias, não pode ser quebrada no equilíbrio. O chute periódico é uma brecha que torna possível os cristais de tempo.

A duplicação do período de oscilação é incomum, mas não sem precedentes. E oscilações de longa duração também são muito comuns na dinâmica quântica de sistemas de poucas partículas. O que torna um cristal de tempo único é que ele é um sistema de milhões de coisas que mostram esse tipo de comportamento combinado, sem nenhuma energia entrando ou saindo.

Entre o desenvolvimento desse plano para um tempo de cristal e o experimento do computador quântico que o trouxe à realidade, muitos experimentos feitos por muitas equipes diferentes de pesquisadores alcançaram vários marcos de cristal quase no tempo. No entanto, fornecer todos os ingredientes na receita para “localização de muitos corpos” (o fenômeno que permite um cristal de tempo infinitamente estável) permaneceu um grande desafio.

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