En Japón investigan una propiedad asombrosa de los Cristales de Tiempo podrían simular todo Internet con unos pocos qubit

Imagen alegórica -Ilustración Pixabay.com -


Investigadores del Instituto Nacional de Informática (NII), Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT), la Universidad de Osaka, el Laboratorio de Informática Japonés-Francés (JFLI) y la Universidad de Ciencia de Tokio han descubierto que los cristales de tiempo se pueden utilizar para simular sistemas cuánticos complejos.
"...usando este método y con solo varios qubits se podría simular una red compleja del tamaño de toda la Internet mundial” Kae Nemoto.

Los cristales están ampliamente presentes en nuestra vida diaria en forma de materiales sólidos cuyos átomos se autoorganizan en patrones regulares. Si bien estos arreglos tienden a ser periódicos en el espacio, un tipo de materia exótica recién descubierta también muestra tal regularidad en la dimensión del tiempo. Estos sistemas exóticos se denominan Cristales de Tiempo y solo pueden observarse en circunstancias especiales. Aunque los recientes desarrollos de tecnología cuántica y nuestra excelente capacidad de control de los dispositivos cuánticos ahora permiten a los investigadores explorar los cristales de tiempo en el laboratorio, se sabe poco sobre sus propiedades y aplicaciones. 

Este trabajo reciente publicado en Science Advances se centra en la aplicación de herramientas comúnmente utilizadas en la teoría de redes para representar estos sistemas, lo que permite una comprensión más profunda de sus estructuras. Con este, los investigadores pudieron representar la fusión de un cristal de tiempo en términos de redes y encontraron el surgimiento de un tipo muy especial de estructuras: las redes sin escala. Estas redes complejas tienen las mismas propiedades estructurales que las redes actuales de Internet o de aviones. Como tal, tener un sistema físico que permita su simulación eficiente en el laboratorio tiene enormes implicaciones en el campo de la tecnología.

Figura 1 Dinámica de un 2T-DTC. La conducción realiza una rotación global en todos los giros en cada período T. El sistema necesita 2T para volver a su posición inicial.

Antecedentes

Los cristales típicos emergen en la naturaleza cuando los átomos que forman un sólido se organizan en una estructura regular periódica. Cuando esto sucede, se dice que se rompe una simetría de traslación continua del espacio libre, ya que el sistema ya no es invariante bajo las traslaciones arbitrarias de sus átomos. La ruptura de tal simetría de traslación también se puede hacer en la dimensión temporal, dando lugar a cristales de tiempo. Un ejemplo reciente de este fenómeno se presenta como un cristal de tiempo discreto 2T (2T-DTC). Aquí, una disposición de sistemas de dos niveles que interactúan (como los giros) están bajo un disco externo periódico que se repite cada vez que T.La ruptura de la simetría de traducción del tiempo se produce cuando la respuesta dinámica del 2T-DTC muestra una periodicidad diferente a la del disco externo, ya que necesita el doble de tiempo (2T) para volver a su posición inicial.

Resultados

Esta investigación muestra que las estructuras de red complejas, como las redes sin escala, como se ilustra en la Figura 2, surgen de la fusión lenta de un 2T-DTC. Allí, los autores utilizaron un modelo de un cristal de tiempo discreto que se puede realizar experimentalmente y demostraron que su estructura se puede fundir agregando un error a la unidad (que desempeña el papel de una temperatura creciente). “Con la ayuda de una técnica de visualización en red, por primera vez arrojamos nueva luz sobre los mecanismos por los que se funde el cristal del tiempo”, dice Marta Estarellas. "Además, quedó claro que, con un valor de error creciente, la fusión del cristal del tiempo se comporta como una transición de fase, algo similar a la forma en que los cristales, como un bloque de hielo, normalmente se derriten", agrega Víctor Bastidas.



Figura 2 Red libre de incrustaciones que emerge de la fusión de un 2T-DTC

Métodos

Usando la teoría de Floquet, uno puede capturar la naturaleza periódica de los cristales de tiempo y obtener información del sistema en los puntos discretos relevantes de su dinámica cuántica. "Representamos esta información en términos de redes usando una regla de percolación y analizamos cómo cambia su conectividad a medida que el cristal de tiempo se derrite debido a un error en la unidad", dice William Munro. Además, el uso de su técnica de visualización en red permitió observar por primera vez la conexión temporal de los estados cuánticos del cristal de tiempo, lo que les permitió extraer información de las propiedades del cristal analizando las propiedades de su red asociada.

Futuro

De manera similar, para las computadoras cuánticas, que muestran una enorme potencia incluso si son pequeñas, los cristales de tiempo también presentan esta ventaja, ya que pueden incrustar redes exponencialmente grandes utilizando un dispositivo de cristal de pequeño tamaño. "Las aplicaciones potenciales de nuestros resultados incluyen el uso de cristales de tiempo como un simulador cuántico para analizar la estructura de redes complejas muy grandes presentes en nuestra vida diaria, algo que en el mundo clásico sería imposible de otra manera ya que requeriría una gran cantidad de computación recursos”, dice Marta Estarellas. “Dicho de esta manera, usando este método y con solo varios qubits se podría simular una red compleja del tamaño de toda la Internet mundial”, agrega Kae Nemoto. Además, sus técnicas introducidas demostraron que las redes son una herramienta valiosa para representar sistemas complejos cuánticos.


Fuente: Comunicado Instituto Nacional de Informática (NII) de Japón

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