Físicos de Stanford ajudaram a criar cristais do tempo no interior de um processador quântico

Uma equipa de investigadores conseguiu criar um cristal do tempo usando o hardware de computação quântica Sycamore, da Google.

A estrutura de um cristal do tempo repete-se – como o próprio nome indica – no tempo, infinitamente e sem qualquer entrada adicional de energia.

Recentemente, uma equipa de físicos da Universidade de Stanford, nos Estados Unidos, conseguiu criar um cristal do tempo usando o hardware de computação quântica Sycamore, da Google.

Este feito confirmou que um cristal do tempo é mesmo uma fase da matéria – um novo tipo de fase quântica fora do equilíbrio.

“Em vez de o usarmos na computação, usamos o computador como uma nova plataforma experimental para perceber e detetar novas fases da matéria”, explicou Matteo Ippoliti, citado no comunicado da universidade norte-americana.

Para a equipa, o entusiasmante deste novo projeto não é apenas a criação de uma nova fase da matéria, mas também a criação de oportunidades para explorar novos regimes no campo da Física da matéria condensada, que estuda os novos fenómenos e propriedades trazidos pelas interações de muitos objetos de um só sistema.

O ponto de partida dos cientistas foi o Modelo de Ising, uma ferramenta útil para a compreensão de vários fenómenos físicos, incluindo as transições de fases da matéria ou o magnetismo.

Esta “máquina” concetual consiste numa rede onde cada local é ocupado por uma partícula que pode estar em dois estados, representada como um spin para cima ou para baixo.

Num primeiro momento, a equipa estudou sistemas localizados de muitos corpos em desequilíbrio, isto é, sistemas onde as partículas ficam “presas” no estado em que começaram e nunca podem relaxar até um estado de equilíbrio. Os cientistas estavam interessados em explorar fases que podem desenvolver-se nesses sistemas quando são periodicamente “chutados” por um laser.

Com os seus qubits, um processador quântico mostrou ser o laboratório ideal para testar esse tipo de 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 várias fases estáveis fora do equilíbrio. Surpreendentemente, foi também revelada uma fase em que os spins das partículas alternavam entre padrões que se repetiam no tempo infinitamente, num período duas vezes maior do que o de acionamento do laser.

Foi assim criado o cristal de tempo.

O impulso periódico do laser estabelece um ritmo específico para a dinâmica do sistema. A “dança” dos spins deveria sincronizar com este ritmo, mas num cristal do tempo tal não acontece: em vez disso, os spins alternam entre dois estados, completando um ciclo apenas depois de serem energizados duas vezes pelo laser.

Isto significa que a “simetria de translação no tempo” do sistema foi interrompida.

Ainda que não seja incomum que as simetrias sejam interrompidas, a da translação no tempo destaca-se porque, ao contrário de outras, não pode ser interrompida em sistemas em equilíbrio.

É por isso que o impulso periódico do laser é uma lacuna – os físicos batizaram este tipo de evento de loophole – que torna possível os cristais de tempo.

O que torna um cristal de tempo único é o facto de ser um sistema de milhões de coisas que apresentam este tipo de comportamento combinado, sem qualquer entrada ou saída de energia.

“É uma fase da matéria completamente robusta, onde onde não se afinam parâmetros ou estados, mas o sistema ainda é quântico”, disse Shivaji Sondhi, professor de física em Oxford. “Não há alimentação de energia nem drenagem, mas continua para sempre e envolve muitas partículas que interagem fortemente.”

A investigação, cujo artigo científico foi publicado na Nature no mês passado, contou com o contributo de especialistas da Universidade de Stanford, do Google Quantum AI, do Instituto Max Planck e da Universidade de Oxford.

  ZAP //

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