Cristal do tempo é criado dentro de processador quântico

Com informações da Universidade de Stanford - 08/12/2021

Visualização artística de um cristal do tempo, repetindo-se eternamente.
[Imagem: Matteo Ippoliti]

Cristal do tempo

Pesquisadores conseguiram criar um cristal do tempo usando o hardware de computação quântica Sycamore, do Google.

Assim como a estrutura de um cristal comum se repete no espaço, a estrutura de um cristal do tempo se repete no tempo e, mais importante, o faz infinitamente e sem qualquer entrada adicional de energia, como um relógio que funcionasse para sempre sem baterias - acredita-se que eles possam até mesmo sobreviver ao fim do Universo.

O feito foi alcançado por uma equipe da Universidade de Stanford (EUA), Instituto Max Planck (Alemanha), Universidade de Oxford (Reino Unido) e do próprio Google.

É um uso inusitado para um computador quântico. Embora os processadores quânticos tenham semelhanças com os mais simples simuladores quânticos, aqui não estamos falando de uma simulação, mas do uso do hardware para construir algo material.

De fato, esta pesquisa confirmou que um cristal de tempo é mesmo uma fase da matéria - um novo tipo de fase quântica fora do equilíbrio.

"Em vez de computação, estamos colocando o computador para funcionar como uma nova plataforma experimental para perceber e detectar novas fases da matéria," explicou Matteo Ippoliti, um dos idealizadores do experimento. "O quadro geral é que estamos pegando os dispositivos que deveriam ser os computadores quânticos do futuro e pensando neles como sistemas quânticos complexos por si mesmos."

Estabilizando-se fora do equilíbrio

O ponto de partida da equipe foi o conhecido modelo de Ising, uma ferramenta útil para a compreensão de vários fenômenos físicos, incluindo as transições de fase da matéria e o magnetismo. Esta "máquina" conceitual consiste em uma rede onde cada local é ocupado por uma partícula que pode estar em dois estados, representada como um spin para cima ou para baixo .

A equipe estava inicialmente estudando sistemas localizados de muitos corpos em desequilíbrio - sistemas onde as partículas ficam "presas" no estado em que começaram e nunca podem relaxar até um estado de equilíbrio. Eles estavam interessados em explorar fases que podem se desenvolver em tais sistemas quando são periodicamente "chutados" por um laser.

Um processador quântico, com seus qubits, mostrou-se uma bancada de testes ideal para testar esses sistemas, sobretudo pela facilidade de lidar com cada partícula (qubit) individualmente e observar o comportamento do sistema como um todo ao longo do tempo.

Os resultados mostraram diversas fases estáveis fora do equilíbrio, o que já era bom o suficiente segundo os objetivos iniciais da equipe.

Mas então apareceu uma fase em que os spins das partículas alternavam entre padrões que se repetiam no tempo para sempre, em um período duas vezes maior do que o período de acionamento do laser - eles haviam criado um cristal de tempo.

Aspectos técnicos do cristal de tempo: (Esquerda) Em um cristal de tempo discreto, a periodicidade da pulsação é quebrada pelo estado do sistema. (Direita) Construir uma fase cristalina do tempo genuína requer interação e desordem, bem como isolamento do mundo exterior.
[Imagem: Xiao Mi et al. (2021)]

Brechas da física

O chute periódico do laser estabelece um ritmo específico para a dinâmica do sistema. Normalmente a "dança" dos spins deveria sincronizar com este ritmo, mas em um cristal do tempo ela não sincroniza: Em vez disso, os spins alternam entre dois estados, completando um ciclo apenas depois de serem energizados duas vezes pelo laser.

Isso significa que a "simetria de translação do tempo" do sistema foi quebrada. As simetrias desempenham um papel fundamental na física, mas não é incomum que elas sejam quebradas, como no caso dos cristais regulares, do ímãs e muitos outros fenômenos. No entanto, a simetria da translação no tempo se destaca porque, ao contrário de outras simetrias, ela não pode ser quebrada em sistemas em equilíbrio.

Assim, o chute periódico do laser é uma "brecha" - os físicos chamam esse tipo de evento de loophole - que torna possível os cristais de tempo.

A duplicação do período de oscilação é bastante incomum, mas também não é 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 estão apresentando esse tipo de comportamento combinado, sem qualquer entrada ou vazamento de energia.

"É uma fase da matéria completamente robusta, onde você não está ajustando parâmetros ou estados, mas seu sistema ainda é quântico," disse o professor Shivaji Sondhi. "Não há alimentação de energia, não há drenagem de energia, e ele continua para sempre e envolve muitas partículas de interação forte."

O processador quântico Google Sycamore usado na criação do cristal do tempo.
[Imagem: Google Quantum AI]

Novas descobertas

Embora isso tudo possa soar um tanto suspeito, próximo demais a uma "máquina de movimento perpétuo", um olhar mais atento revela que os cristais do tempo não quebram nenhuma lei da física.

A entropia - uma medida da desordem em um sistema - permanece estacionária ao longo do tempo, satisfazendo a segunda lei da termodinâmica, ainda que marginalmente, ao não diminuir.

Criar uma nova fase da matéria é inquestionavelmente um feito em termos de ciência fundamental. Mas fazer isso usando um processador quântico aponta para o uso dos computadores quânticos para outras aplicações além da computação.

"Nós achamos que o uso mais interessante para computadores quânticos neste momento é como plataformas para a física quântica fundamental," defendeu Ippoliti. "Com os recursos exclusivos desses sistemas, há esperança de que você descubra algum fenômeno novo que não havia sido previsto."

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