Primer cristal de tiempo 2D en un ordenador cuántico

La investigación publicada en Nature Communications en el que han participado científicos de Basque Quantum (BasQ), NIST e IBM, demuestra cómo es posible crear cristales de tiempo bidimensionales mediante el uso de infraestructuras y técnicas de computación cuántica de última generación.

El estudio se ha llevado a cabo utilizando un procesador IBM Quantum Heron, una de las arquitecturas más avanzadas desarrolladas por IBM. Este tipo de procesador es el que impulsa la nueva generación de sistemas IBM Quantum System Two, incluido el primero de su clase desplegado en Europa en el IBM–Euskadi Quantum Computational Center de Donostia / San Sebastián.

En opinión de Javier Aizpurua, director científico de BasQ e investigador del DIPC, “esta publicación representa un paso muy importante en el camino que emprendimos desde el inicio de Basque Quantum. Es el resultado del trabajo conjunto de equipos investigadores del CFM-MPC y del DIPC, en estrecha colaboración con IBM, y demuestra cómo esta cooperación nos permite abrir nuevas líneas de investigación y avanzar en la comprensión de fenómenos cuánticos complejos”.

Los cristales de tiempo son sistemas físicos poco comunes capaces de mostrar oscilaciones estables y repetitivas —o “ticks”— en el tiempo, en lugar de evolucionar hacia un estado de equilibrio, como ocurre con la mayoría de los materiales conocidos. Su movimiento interno permanece sincronizado y persistente, lo que los convierte en un objeto de gran interés para la investigación en física fundamental. Los cristales de tiempo son sistemas extremadamente sensibles y complejos de configurar, y hasta ahora solo se han logrado producir en contadas ocasiones dentro de laboratorios. Su creación exige configuraciones muy precisas de partículas en sistemas cuánticos con alta coherencia, cuidadosamente aislados del calor y el ruido.

Tradicionalmente, estos sistemas se han investigado en una sola dimensión, como en cadenas lineales de átomos donde cada partícula interactúa únicamente con las más cercanas. Aunque se ha propuesto teóricamente la existencia de cristales de tiempo en dimensiones mayores, su estudio resulta especialmente complejo desde el punto de vista computacional. Al incrementar el número de dimensiones, las interacciones se multiplican y se entrelazan de forma exponencial, lo que supera la capacidad de los métodos clásicos para predecir su comportamiento. Esta nueva investigación de BasQ e IBM supera estas limitaciones al demostrar algunos de los cristales de tiempo bidimensionales más grandes y complejos hasta la fecha, en los que las interacciones se extienden a través de una estructura similar a una superficie en forma de rejilla, en lugar de una cadena o línea.

Los autores de la investigación lograron desarrollar un cristal de tiempo bidimensional compuesto por 144 qubits en el chip Heron del ordenador cuántico de IBM, cuidadosamente aislado del calor y de las interferencias externas. Al tratarse de entidades cuánticas, no se limitan a simular el comportamiento de un cristal de tiempo, sino que permiten materializarlo directamente, utilizándolos como sus bloques fundamentales. Como ocurre con cualquier hallazgo relevante en el ámbito cuántico, la verificación de los resultados es un paso crucial. Para ello, el equipo empleó una técnica avanzada que consiste en simular el estado cuántico mediante redes de tensores y propagación de creencias, y posteriormente contrastar esas simulaciones con los datos obtenidos directamente del ordenador cuántico. En este trabajo, los investigadores empiezan a analizar cómo las técnicas clásicas pueden emplearse para optimizar la ejecución de procesos cuánticos. Para ello, desarrollaron e incorporaron nuevos métodos de mitigación de errores que permiten mejorar la precisión y disminuir significativamente las incertidumbres en los resultados obtenidos.

Este avance representa un paso importante en la exploración de fases de la materia no equilibradas, un área clave para comprender fenómenos cuánticos avanzados. La capacidad de los ordenadores cuánticos para simular este tipo de sistemas posiciona a estas tecnologías como herramientas fundamentales para la investigación científica de próxima generación.

Más información en www.basquequantum.eus