Mudança eterna sem energia: um cristal do tempo finalmente tornado real

Como uma máquina de movimento perpétuo, um cristal do tempo sempre circula entre os estados sem consumir energia. Os físicos afirmam ter construído essa nova fase da matéria dentro de um computador quântico.

Por Natalie Wolchover - 30/07/2021

Um cristal do tempo alterna entre dois estados sem queimar energia.

Em uma pré-impressão publicada online na noite de quinta-feira , pesquisadores do Google em colaboração com físicos de Stanford, Princeton e outras universidades dizem que usaram o computador quântico do Google para demonstrar um genuíno “cristal do tempo”. Além disso, um grupo de pesquisa separado afirmou no início deste mês ter criado um cristal do tempo em um diamante.

Uma nova fase da matéria que os físicos se esforçaram para realizar por muitos anos, um cristal do tempo é um objeto cujas partes se movem em um ciclo regular e repetitivo, sustentando essa mudança constante sem queimar nenhuma energia.

“A consequência é incrível: você foge da segunda lei da termodinâmica”, disse Roderich Moessner , diretor do Instituto Max Planck de Física de Sistemas Complexos em Dresden, Alemanha, e coautor do artigo do Google. Essa é a lei que diz que a desordem sempre aumenta.

Os cristais do tempo também são os primeiros objetos a quebrar espontaneamente a “simetria de tradução do tempo”, a regra usual de que um objeto estável permanecerá o mesmo ao longo do tempo. Um cristal do tempo é estável e em constante mudança, com momentos especiais que ocorrem em intervalos periódicos no tempo.

O cristal do tempo é uma nova categoria de fases da matéria, ampliando a definição do que é uma fase. Todas as outras fases conhecidas, como água ou gelo, estão em equilíbrio térmico: seus átomos constituintes se estabeleceram no estado com a energia mais baixa permitida pela temperatura ambiente e suas propriedades não mudam com o tempo. O cristal do tempo é a primeira fase “fora do equilíbrio”: tem ordem e estabilidade perfeita, apesar de estar em estado excitado e evolutivo.

“Este é apenas um espaço completamente novo e empolgante em que estamos trabalhando agora”, disse Vedika Khemani , uma física de matéria condensada agora em Stanford que co-descobriu a nova fase enquanto era estudante de pós-graduação e co-autora do novo artigo. com a equipe do Google.

Khemani, Moessner, Shivaji Sondhi de Princeton e Achilleas Lazarides da Universidade de Loughborough no Reino Unido descobriram a possibilidade da FASE e descreveram suas principais propriedades em 2015; um grupo rival de físicos liderado por Chetan Nayak da Microsoft Station Q e da Universidade da Califórnia, Santa Bárbara, identificou-o como um cristal do tempo logo depois.

Os pesquisadores correram para criar um cristal do tempo nos últimos cinco anos, mas as demonstrações anteriores, embora bem-sucedidas em seus próprios termos, falharam em satisfazer todos os critérios necessários para estabelecer a existência do cristal do tempo. “Existem boas razões para pensar que nenhum desses experimentos foi completamente bem-sucedido, e um computador quântico como [o do Google] estaria particularmente bem posicionado para fazer muito melhor do que os experimentos anteriores”, disse John Chalker, físico de matéria condensada da Universidade de Oxford que não estava envolvido no novo trabalho.

O criostato usado para conter os processadores quânticos do Google.

A equipe de computação quântica do Google ganhou as manchetes em 2019 quando realizou a primeira computação que os computadores comuns não seriam capazes de fazer em um período de tempo prático. No entanto, essa tarefa foi planejada para mostrar uma aceleração e não tinha nenhum interesse inerente. A nova demonstração do cristal do tempo marca uma das primeiras vezes que um computador quântico encontrou um emprego lucrativo.

“É um uso fantástico do processador [do Google]”, disse Nayak.

Com a pré-impressão de ontem, que foi enviada para publicação, e outros resultados recentes , os pesquisadores realizaram a esperança original dos computadores quânticos. Em seu artigo de 1982 propondo os dispositivos, o físico Richard Feynman argumentou que eles poderiam ser usados ​​para simular as partículas de qualquer sistema quântico imaginável.

Um cristal do tempo exemplifica essa visão. É um objeto quântico que a própria natureza provavelmente nunca criou, dada a sua complexa combinação de ingredientes delicados. A imaginação conjurou a receita, estimulada pelas leis mais desconcertantes da natureza.

Uma ideia impossível, ressuscitada

A noção original de um cristal do tempo tinha uma falha fatal.

O físico ganhador do Prêmio Nobel Frank Wilczek concebeu a ideia em 2012, enquanto dava uma aula sobre cristais comuns (espaciais). “Se você pensa em cristais no espaço, é muito natural pensar também na classificação do comportamento cristalino no tempo”, disse ele a esta revista pouco tempo depois.

Considere um diamante, uma fase cristalina de um aglomerado de átomos de carbono. A aglomeração é regida pelas mesmas equações em todo o espaço, mas assume uma forma que apresenta variações espaciais periódicas, com átomos posicionados em pontos da rede. Os físicos dizem que ela “quebra espontaneamente a simetria da translação do espaço”. Somente os estados de equilíbrio de energia mínima quebram espontaneamente as simetrias espaciais dessa maneira.

Wilczek imaginou um objeto de várias partes em equilíbrio, muito parecido com um diamante. Mas esse objeto quebra a simetria da translação do tempo: ele passa por um movimento periódico, retornando à sua configuração inicial em intervalos regulares.

Algo tão estável quanto isso é incomum, e coisas especiais se tornam úteis. Roderich Moessner

O cristal do tempo proposto por Wilczek era profundamente diferente de, digamos, um relógio de parede – um objeto que também sofre movimento periódico. Os ponteiros do relógio queimam energia e param quando a bateria acaba. Um cristal de tempo Wilczekiano não requer entrada e continua indefinidamente, já que o sistema está em seu estado de equilíbrio ultraestável.

Se parece implausível, é: depois de muita emoção e polêmica, uma prova de 2014 mostrou que a receita de Wilczek falha, como todas as outras máquinas de movimento perpétuo concebidas ao longo da história.

Naquele ano, os pesquisadores de Princeton estavam pensando em outra coisa. Khemani e seu orientador de doutorado, Sondhi, estavam estudando a localização de muitos corpos, uma extensão da localização de Anderson, a descoberta vencedora do Prêmio Nobel em 1958 de que um elétron pode ficar preso no lugar, como se estivesse em uma fenda em uma paisagem acidentada.

Um elétron é melhor representado como uma onda, cuja altura em diferentes lugares dá a probabilidade de detectar a partícula ali. A onda se espalha naturalmente ao longo do tempo. Mas Philip Anderson descobriu que a aleatoriedade – como a presença de defeitos aleatórios em uma rede cristalina – pode fazer com que a onda do elétron se quebre, interfira destrutivamente em si mesma e se anule em todos os lugares, exceto em uma pequena região. A partícula se localiza.

As pessoas pensaram por décadas que as interações entre múltiplas partículas destruiriam o efeito de interferência. Mas em 2005, três físicos das universidades de Princeton e Columbia mostraram que uma cadeia unidimensional de partículas quânticas pode experimentar a localização de muitos corpos; ou seja, todos eles ficam presos em um estado fixo. Esse fenômeno se tornaria o primeiro ingrediente do cristal do tempo.

Imagine uma fileira de partículas, cada uma com uma orientação magnética (ou “spin”) que aponta para cima, para baixo ou alguma probabilidade de ambas as direções. Imagine que os primeiros quatro giros inicialmente apontam para cima, para baixo, para baixo e para cima. Os spins flutuarão mecanicamente quânticos e se alinharão rapidamente, se puderem. Mas a interferência aleatória entre eles pode fazer com que a fileira de partículas fique presa em sua configuração particular, incapaz de se reorganizar ou entrar em equilíbrio térmico. Eles vão apontar para cima, para baixo, para baixo e para cima indefinidamente.

Sondhi e um colaborador descobriram que sistemas localizados de muitos corpos podem exibir um tipo especial de ordem, que se tornaria o segundo ingrediente-chave de um cristal do tempo: se você inverter todos os giros do sistema (cedendo para baixo, para cima, para cima e para baixo em nosso exemplo), você obtém outro estado localizado estável de muitos corpos.

Samuel Velasco/Revista Quanta

No outono de 2014, Khemani juntou-se a Sondhi em um ano sabático no Instituto Max Planck em Dresden. Lá, Moessner e Lazarides se especializaram nos chamados sistemas Floquet: sistemas acionados periodicamente, como um cristal que está sendo estimulado por um laser de uma determinada frequência. A intensidade do laser e, portanto, a força de seu efeito no sistema varia periodicamente.

Moessner, Lazarides, Sondhi e Khemani estudaram o que acontece quando um sistema localizado de muitos corpos é periodicamente acionado dessa maneira. Eles descobriram em cálculos e simulações que, quando você estimula uma cadeia localizada de giros com um laser de uma maneira específica, eles se movem para frente e para trás, movendo-se entre dois estados localizados de muitos corpos diferentes em um ciclo repetitivo para sempre, sem absorver qualquer energia líquida do laser.

Eles chamaram sua descoberta de fase pi spin-glass (onde o ângulo pi significa uma virada de 180 graus). O grupo relatou o conceito dessa nova fase da matéria – a primeira fase de muitos corpos fora de equilíbrio já identificada – em uma pré-impressão de 2015 , mas as palavras “cristal do tempo” não apareciam em nenhum lugar. Os autores adicionaram o termo em uma versão atualizada , publicada na Physical Review Letters em junho de 2016, agradecendo a um revisor nos agradecimentos por fazer a conexão entre sua fase de vidro de spin pi e cristais de tempo.

Algo mais aconteceu entre o aparecimento da pré-impressão e sua publicação: Nayak, ex-aluno de pós-graduação de Wilczek, e os colaboradores Dominic Else e Bela Bauer publicaram uma pré-impressão em março de 2016 propondo a existência de objetos chamados cristais do tempo Floquet. Eles apontaram para Khemani e a fase pi spin-glass da empresa como um exemplo.

Um cristal do tempo Floquet exibe o tipo de comportamento imaginado por Wilczek, mas apenas enquanto é periodicamente conduzido por uma fonte de energia externa. Esse tipo de cristal do tempo contorna o fracasso da ideia original de Wilczek por nunca afirmar estar em equilíbrio térmico. Por ser um sistema localizado de muitos corpos, seus spins ou outras partes são incapazes de entrar em equilíbrio; eles estão presos onde estão. Mas o sistema também não esquenta, apesar de ser bombeado por um laser ou outro driver. Em vez disso, ele alterna indefinidamente entre estados localizados.

Vedika Khemani, física de matéria condensada da Universidade de Stanford, concebeu a recém-demonstrada fase de cristal do tempo com três coautores quando era estudante de pós-graduação em 2015.

O laser já terá quebrado a simetria entre todos os momentos no tempo para a linha de giros, impondo, em vez disso, “simetria de translação de tempo discreta” – isto é, condições idênticas somente após cada ciclo periódico do laser. Mas então, por meio de seus movimentos de vaivém, a linha de giros quebra ainda mais a discreta simetria de translação do tempo imposta pelo laser, uma vez que seus próprios ciclos periódicos são múltiplos dos do laser.

Khemani e os coautores caracterizaram essa fase em detalhes, mas o grupo de Nayak a expressou na linguagem do tempo, simetria e quebra espontânea de simetria – todos conceitos fundamentais da física. Além de oferecer uma terminologia mais sexy, eles forneceram novas facetas de compreensão e generalizaram ligeiramente a noção de um cristal de tempo Floquet além da fase de vidro de spin pi (observando que uma certa simetria não é necessária). O artigo foi publicado na Physical Review Letters em agosto de 2016, dois meses depois que Khemani e companhia publicaram a descoberta teórica do primeiro exemplo da fase.

Ambos os grupos afirmam ter descoberto a ideia. Desde então, os pesquisadores rivais e outros correram para criar um cristal do tempo na realidade.

A plataforma perfeita

A equipe de Nayak se uniu a Chris Monroe, da Universidade de Maryland, que usa campos eletromagnéticos para capturar e controlar íons. No mês passado, o grupo relatou na Science que havia transformado os íons aprisionados em um cristal de tempo aproximado, ou “pré-térmico”. Suas variações cíclicas (neste caso, íons saltando entre dois estados) são praticamente indistinguíveis das de um verdadeiro cristal do tempo. Mas, ao contrário de um diamante, esse cristal do tempo pré-térmico não é para sempre; se o experimento durasse o suficiente, o sistema se equilibraria gradualmente e o comportamento cíclico seria interrompido.

Khemani, Sondhi, Moessner e colaboradores engancharam sua carroça em outro lugar. Em 2019, o Google anunciou que seu computador quântico Sycamore havia concluído uma tarefa em 200 segundos que levaria 10.000 anos para um computador convencional. (Mais tarde, outros pesquisadores descreveriam uma maneira de acelerar bastante o cálculo do computador comum.) Ao ler o documento do anúncio, disse Moessner, ele e seus colegas perceberam que “o processador Sycamore contém como blocos de construção fundamentais exatamente as coisas de que precisamos para realizar o cristal do tempo Floquet.

Por acaso, os desenvolvedores do Sycamore também estavam procurando algo para fazer com sua máquina, que é muito propensa a erros para executar os algoritmos de criptografia e pesquisa projetados para computadores quânticos completos. Quando Khemani e seus colegas procuraram Kostya Kechedzhi , um teórico do Google, ele e sua equipe concordaram rapidamente em colaborar no projeto do cristal do tempo. “Meu trabalho, não apenas com cristais de tempo discreto, mas com outros projetos, é tentar usar nosso processador como uma ferramenta científica para estudar nova física ou química”, disse Kechedzhi.

Vídeo : Computadores quânticos não são a próxima geração de supercomputadores – eles são algo completamente diferente. Antes mesmo de começarmos a falar sobre suas aplicações potenciais, precisamos entender a física fundamental que impulsiona a teoria da computação quântica. (Se visto no Youtube - pode ser visto com o tradutor automático)

Emily Buder /Revista Quanta; Adrian Vasquez de Velasco, Chris FitzGerald e DVDP para Quanta Magazine

Computadores quânticos consistem em “qubits” – partículas quânticas essencialmente controláveis, cada uma das quais pode manter dois estados possíveis, rotulados como 0 e 1, ao mesmo tempo. Quando os qubits interagem, eles podem manipular coletivamente um número exponencial de possibilidades simultâneas, permitindo vantagens de computação.

Os qubits do Google consistem em tiras de alumínio supercondutoras. Cada um tem dois estados de energia possíveis, que podem ser programados para representar spins apontando para cima ou para baixo. Para a demonstração, Kechedzhi e colaboradores usaram um chip com 20 qubits para servir como cristal do tempo.

Talvez a principal vantagem da máquina sobre seus concorrentes seja sua capacidade de ajustar os pontos fortes das interações entre seus qubits. Essa sintonização é a chave para o motivo pelo qual o sistema pode se tornar um cristal do tempo: os programadores podem randomizar as forças de interação dos qubits, e essa aleatoriedade criou uma interferência destrutiva entre eles que permitiu que a linha de spins alcançasse a localização de muitos corpos. Os qubits podem travar em um padrão definido de orientações em vez de alinhamento.

Os pesquisadores deram aos spins configurações iniciais arbitrárias, como: para cima, para baixo, para baixo, para cima e assim por diante. Bombear o sistema com micro-ondas viradas para cima gira para baixo e vice-versa. Ao executar dezenas de milhares de demonstrações para cada configuração inicial e medir os estados dos qubits após diferentes períodos de tempo em cada execução, os pesquisadores puderam observar que o sistema de spins estava alternando entre dois estados localizados de muitos corpos.

A marca registrada de uma fase é a extrema estabilidade. O gelo permanece como gelo, mesmo que a temperatura flutue. De fato, os pesquisadores descobriram que os pulsos de micro-ondas só precisavam girar em torno de 180 graus, mas não exatamente tanto, para que os giros retornassem à sua orientação inicial exata após dois pulsos, como pequenos barcos se endireitando. Além disso, os spins nunca absorveram ou dissiparam a energia líquida do laser de micro-ondas, deixando a desordem do sistema inalterada.

Em 5 de julho, uma equipe da Universidade de Tecnologia de Delft, na Holanda, relatou que construiu um cristal do tempo Floquet não em um processador quântico, mas a partir dos giros nucleares de átomos de carbono em um diamante. O sistema Delft é menor e mais limitado do que o cristal do tempo realizado no processador quântico do Google.

Não está claro se um cristal do tempo Floquet pode ter uso prático. Mas sua estabilidade parece promissora para Moessner. “Algo tão estável quanto isso é incomum, e coisas especiais se tornam úteis”, disse ele.

Ou o estado pode ser meramente conceitualmente útil. É o primeiro e mais simples exemplo de uma fase fora de equilíbrio, mas os pesquisadores suspeitam que mais dessas fases sejam fisicamente possíveis.

Nayak argumenta que os cristais do tempo iluminam algo profundo sobre a natureza do tempo. Normalmente na física, disse ele, “por mais que você tente tratar [o tempo] como sendo apenas outra dimensão, é sempre uma espécie de exceção”. Einstein fez a melhor tentativa de unificação, entrelaçando o espaço 3D com o tempo em um tecido quadridimensional: o espaço-tempo. Mas mesmo em sua teoria, o tempo unidirecional é único. Com os cristais do tempo, disse Nayak, “este é o primeiro caso que conheço em que, de repente, o tempo é apenas mais um da gangue”.

Chalker argumenta, porém, que o tempo continua sendo um valor discrepante. O cristal do tempo de Wilczek teria sido uma verdadeira unificação de tempo e espaço, disse ele. Os cristais espaciais estão em equilíbrio e, de forma relacionada, eles quebram a simetria de translação contínua do espaço. A descoberta de que, no caso do tempo, apenas a simetria discreta da translação do tempo pode ser quebrada pelos cristais do tempo coloca um novo ângulo na distinção entre tempo e espaço.

Essas discussões continuarão, impulsionadas pela possibilidade de exploração em computadores quânticos. Os físicos da matéria condensada costumavam se preocupar com as fases do mundo natural. “O foco mudou de estudar o que a natureza nos dá”, disse Chalker, para sonhar com formas exóticas de matéria que a mecânica quântica permite.

Atualização: 30 de julho de 2021

Após a publicação deste artigo, Quanta soube que um grupo de pesquisa separado havia, em 5 de julho, postado uma pré-impressão alegando ter criado um cristal do tempo usando nove átomos de carbono em um diamante. Atualizamos o artigo para incluir este resultado.

Fonte: https://www.quantamagazine.org/first-time-crystal-built-using-googles-quantum-computer-20210730/