Equipo de Investigación Demuestra el Acoplamiento no Lineal en Dos Niveles de Cristales de Tiempo Cuánticos

Por: William Brown, Biofísico de Resonance Science Foundation

Informamos por primera vez sobre la observación de un cristal de tiempo en nuestro artículo cristales-de-tiempo-una-nueva-fase-de-la-materia. Ahora, en el siguiente gran avance, el mismo equipo que generó la nueva fase de la materia ha creado el primer sistema de dos cuerpos con cristal de tiempo en un experimento que parece torcer las leyes de la física.

Como su nombre indica, un cristal de tiempo no es un sistema fácil de preparar y experimentar. El movimiento perpetuo del estado base en equilibrio define un cristal de tiempo; sin embargo, observar dicho movimiento es famosamente inviable, porque experimentalmente un cristal de tiempo sólo alcanza la estabilidad si está aislado del entorno y del observador -protegiendo el estado cuántico puro del sistema de la decoherencia-, donde los requisitos de perpetuidad o equilibrio pueden ser "doblados". Al igual que el bit mecánico cuántico, o qubit, el acoplamiento de cristales de tiempo cuánticos separados, conservando al mismo tiempo un aislamiento suficiente de la decoherencia del entorno, es un reto importante para los investigadores. El descubrimiento, publicado en Nature Communications [1], demuestra que no sólo se pueden crear cristales de tiempo, sino que tienen potencial para convertirse en dispositivos útiles.

Los cristales de tiempo se denominan así porque su naturaleza cristalina no se produce por un patrón de ordenación espacial, sino por un patrón de movimiento ordenado y repetido en el ámbito temporal. Teorizados por primera vez en 2012 por el Premio Nobel Frank Wilczek e identificados en 2016, los cristales de tiempo son una rareza en la física (antes se creía que eran imposibles cuando Wilczek propuso la idea por primera vez), debido a su movimiento repetitivo en el tiempo a pesar de no haber ninguna entrada externa. Sus átomos oscilan constantemente, giran o se mueven primero en una dirección y luego en otra... un movimiento aparentemente perpetuo.

Como mencionamos en nuestro primer artículo sobre los cristales de tiempo, la violación del axioma contra el movimiento perpetuo no se viola realmente en tales sistemas, porque el cristal de tiempo está derivando energía del acoplamiento con las fluctuaciones de energía del vacío cuántico. Sin embargo, este acoplamiento único con la energía del vacío requiere un estado cuántico no trivial, por lo que el ruido o las interacciones decoherentes del entorno perturbarán el sistema. Una fuente importante de interacciones decoherentes o de ruido puede provenir de los experimentadores que tratan de sondear el sistema, lo que ha requerido que los cristales de tiempo se mantengan aislados, lejos de las miradas indiscretas de los experimentadores.

Para lograr el acoplamiento de dos cristales de tiempo y realizar observaciones útiles (de forma indirecta), los científicos -un equipo internacional de investigadores de la Universidad de Lancaster, el Royal Holloway de Londres, el Instituto Landau y la Universidad Aalto de Helsinki- utilizaron Helio-3 superenfriado (un isótopo raro del helio al que le falta un neutrón) y generaron 10¹² magnones (los magnones en el Helio-3 surgen como cuantos de ondas de espín transversales, asociadas a la magnetización que precesan alrededor del campo magnético externo del sistema). En este sistema, la vida observable del cristal de tiempo se extendió hasta mil segundos (10⁹ periodos de movimiento) en ausencia de una fuerza motriz, mientras que el sistema superfluido subyacente proporcionó una retroalimentación intrínseca para la ingeniería de la dinámica coherente.

La sincronización espontánea se demostró bombeando los magnones a un nivel de energía más alto en una trampa de confinamiento, tras lo cual volvieron a caer espontáneamente al estado básico. Esto permitió a los experimentadores demostrar que el estado de los magnones se encontraba en un condensado de Bose-Einstein (BEC) desacoplado del mecanismo de conducción. La precesión de espín transversal del BEC de magnones es entonces característica del movimiento periódico espontáneo de un cristal de tiempo.

_{La muestra de 3He superfluido está contenida en un cilindro de cristal de cuarzo. El cristal de tiempo de magnones (mancha azul) está atrapado en el centro del contenedor por el efecto combinado de un mínimo en el campo magnético estático, creado mediante una bobina de pinza (bucle de alambre verde), y por la distribución espacial del momento orbital del superfluido L (flechas verdes pequeñas). La precesión coherente de la magnetización M (cono magenta) en el cristal del tiempo se observa utilizando bobinas de captación transversales. El campo magnético estático H está orientado en paralelo al eje del cilindro. La ondulación en la superficie libre del superfluido se ha añadido con fines ilustrativos. Imagen de [1].}

En este sistema, los cristales de tiempo de magnones adyacentes pueden acoplarse, formando un sistema macroscópico de dos niveles, el primero de este tipo que utiliza cristales de tiempo. Además, el equipo de investigación demostró que la interacción espín-órbita del BEC puede aprovecharse para crear una retroalimentación no lineal para los magnones en un sistema coherente de cristales de tiempo.

La retroalimentación no lineal es necesaria para las versiones basadas en el espín de los dispositivos cuánticos por excelencia, como los dispositivos superconductores de interferencia cuántica (SQUID), y -como la analogía con el qubit que mencionamos al principio del artículo- un "sistema de dos niveles" es un bloque de construcción básico de un computador cuántico. Por ello, los cristales de tiempo producidos y diseñados con esta última metodología pueden aprovecharse para construir dispositivos cuánticos que funcionen a temperatura ambiente. Para los investigadores de Resonance Science Foundation, será interesante ver qué más se puede aprender sobre la dinámica de los BEC y el acoplamiento multinivel, incluidas las interacciones impulsadas por la energía del vacío cuántico. 

Referencias

[1] Nonlinear two-level dynamics of quantum time crystals, Nature Communications (2022).  DOI: 10.1038/s41467-022-30783-w

[2] F. Wilczek, “Quantum time crystals,” Phys. Rev. Lett. 109, 160401 (2012)