Introducción
Las máquinas de movimiento perpetuo son imposibles, al menos en nuestro mundo cotidiano. Pero en el nivel de la mecánica cuántica, las leyes de la termodinámica no siempre se aplican de la misma manera. En 2021, después de años de esfuerzo, los físicos demostraron con éxito la realidad de un "cristal de tiempo", un nuevo estado de la materia que es estable y en constante cambio sin ningún aporte de energía. En este episodio, Steven Strogatz habla sobre los cristales de tiempo y su significado con el físico teórico. Vedika Khemani de la Universidad de Stanford, quienes descubrieron conjuntamente que eran posibles y luego ayudaron a crear uno en una plataforma de computación cuántica.
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Expediente académico
Steven Strogatz (00:00): Hola, soy Steve Strogatz, y este es La alegría de por qué, un podcast de Quanta revista que lo lleva a algunas de las preguntas más grandes sin respuesta en matemáticas y ciencias en la actualidad. En este episodio, vamos a estar hablando de cristales de tiempo. ¿Qué son? Bueno, ¿alguna vez has oído hablar de una máquina de movimiento perpetuo? ¿Y has oído que son imposibles? Sí, bueno, son imposibles en el mundo en que vivimos, debido a la fricción. Pero en el mundo cuántico, todas las apuestas están canceladas.
(00:32) Entonces, ¿hay alguna forma de jugar con los fenómenos cuánticos para crear un estado de la materia que seguirá cambiando de un lado a otro para siempre? Bueno, mi invitado de hoy es miembro de un equipo que teóricamente descubrió el cristal del tiempo y ayudó a realizarlo experimentalmente en una computadora cuántica. El físico teórico Vedika Khemani es profesor asistente de física en la Universidad de Stanford. En 2021, ella recibió el Premio New Horizons in Physics de la Breakthrough Prize Foundation por su trabajo sobre la materia cuántica fuera del equilibrio, incluidos los cristales de tiempo. Ella se une a mí para explicar qué son los cristales de tiempo, cómo están ampliando nuestra comprensión de lo que es posible en la caja de arena cuántica y si todo esto es consistente con la segunda ley de la termodinámica. Bienvenido, profesor Vedika Khemani.
Vedika Khemani (01:26): Gracias Steve. Es genial estar aquí. Y gracias por recibirme.
Strogatz (01:29): De nada. Estoy súper emocionada de estar hablando contigo. Creo que tu trabajo es espectacular. Y tengo mucha curiosidad por saber más al respecto. Así que ya sabes, mencionar máquinas de movimiento perpetuo es una invitación al desastre en cualquier programa científico, ya que realmente hay todo tipo de razones para no creer en ellas. Entonces, tal vez antes de comenzar a hablar sobre su posibilidad o imposibilidad en el régimen cuántico, ¿por qué no comenzamos con los cristales? Ya sabes, la gente puede haber visto cristales en algún tipo de tienda en el centro o piensan en... Bueno, tú me dices. ¿Qué, qué es un cristal para un físico?
jemani (02:06): Así que sí, así que cuando ves un cristal en una tienda, tal vez veas algún hermoso cristal de amatista, diamante o sal de roca en tu mesa. Pero para un físico, los cristales se definen en términos de simetrías y su ruptura. Y esta es realmente una idea fundamental en la forma en que pensamos acerca de las fases de la materia.
(02:25) Entonces, una fase de la materia, ya sabes, es posible que estés familiarizado con fases como sólidos, líquidos y gases, una fase de la materia a menudo se describe en términos de simetrías. Así que una de las simetrías fundamentales de la naturaleza es la simetría de traslación en el espacio. OK, entonces esto significa que las leyes de la física se ven iguales, ¿verdad? Entonces, si hago un experimento aquí en Stanford y luego lo repito donde estás en Cornell, deberíamos obtener los mismos resultados, con suerte, ¿verdad? Puedo traducir por cualquier cantidad y las leyes de la física serían las mismas. Por otro lado, si miras cómo está dispuesto un cristal, espontáneamente rompe esta simetría de traslación, porque el cristal no se ve igual en todas partes. Lo que ves en cambio es una matriz periódica de átomos separados por el espacio, y luego hay un átomo y luego hay espacio, y luego hay un átomo. Y esto continúa para siempre.
(03:23) Bien, dado que existe esta separación entre el átomo y el espacio, este cristal ha roto espontáneamente la simetría de traslación continua y se ha dispuesto de esta manera.
Strogatz (03:37): En cuanto a romper la simetría en el espacio, estaba pensando... La imagen que me vino a la mente cuando hablaste del espacio y luego de los átomos era como en un nivel más cotidiano. Si estoy subiendo una escalera, hay espacio entre las escaleras y luego, cuando estoy en el rellano de una escalera, estoy en un lugar especial, y es una especie de equivalente al siguiente rellano de arriba, en lugar de caminar. subir una rampa donde, en una rampa, cada punto es más o menos igual que cualquier otro punto. Entonces, la diferencia entre una rampa y una escalera me parece la diferencia entre la simetría continua, que es como la rampa, y la simetría discreta sería más como la escalera. O un cristal, si te estoy escuchando bien.
jemani (04:17): Sí, eso es exactamente correcto. Y, ya sabes, el cristal suele ser una fase sólida, ya sabes, como el hielo. El hielo es un cristal. Por otro lado, una fase líquida o gaseosa, en esas fases, se ven iguales en todas partes. No rompen la simetría de traducción. En un sentido estadístico, podría mirar un pequeño volumen de agua, y no importa qué volumen elija, siempre se ve igual. Entonces decimos que los líquidos y los sólidos o el agua y el hielo están en dos fases diferentes de la materia, porque una de ellas respeta la simetría de traslación de la naturaleza y la otra no. El otro lo rompe espontáneamente.
Strogatz (04:55): Muy bien, ahora que entendemos mejor qué es un cristal, ¿qué es un cristal del tiempo?
jemani (05:00): Así como hablamos sobre la simetría de traslación en el espacio, igualmente fundamental es la simetría de traslación en el tiempo, lo que significa que si haces un experimento hoy, mañana o pasado, deberías obtener la misma respuesta. Pero sabes, el espacio y el tiempo no son lo mismo, porque puedes avanzar y retroceder fácilmente en el espacio pero ciertamente no puedes avanzar y retroceder en el tiempo. Y esa es la razón por la que, ya sabes… Porque el espacio y el tiempo son diferentes, y los sistemas tienden a evolucionar hacia estos estados de equilibrio que maximizan la entropía, que por definición están en reposo, esa es la razón por la que, ya sabes, se había creído y probado que en escenarios de equilibrio, no podrías obtener cristales de tiempo.
(05:46) Bien, el tipo de ángulo reciente sobre este trabajo proviene de este rincón muy diferente de la física, donde hemos estado pensando en sistemas cuánticos que están fundamentalmente fuera de equilibrio. Y esa es una de las cosas que más me emocionan de los cristales de tiempo, que es una instanciación de esta fase cuántica fuera de equilibrio. Entonces, un cristal de tiempo es una fase de la materia que espontáneamente rompe esta simetría de traducción en el tiempo, para mostrarles algún tipo de pulsación periódica para siempre. Entonces, para mostrarles algún tipo de dependencia temporal periódica para siempre. Así que es como la aparición de un reloj en un sistema. Pero, lo que es más importante, esto debería suceder de forma espontánea, lo que significa que no se alimenta de energía ni se drena energía. De acuerdo, porque, ya sabes, los relojes que funcionan con baterías están a nuestro alrededor, puedes comprar uno en Amazon, ¿verdad?
Strogatz (06:42): Vale, bien. Me alegro de que lo menciones. Porque yo, me había estado preguntando, sigues diciendo "espontáneamente". Así que escuchémoslo de nuevo: “Espontáneamente” es lo opuesto a algo que se activa o impulsa a hacer su trabajo debido a alguna batería u otra fuente de energía.
jemani: Exactamente.
Strogatz (06:59): Bien. Entonces, en un cristal de tiempo, a diferencia de un reloj que necesita una batería, o tiene que estar enchufado a la pared, el cristal de tiempo será una especie de cosa que va y viene, o cambia como un reloj sin una fuente de energía?
jemani (07:15): Así es. Sí. Así que no hay una entrada neta de energía en el sistema, y debería ser capaz de mostrar espontáneamente, por sí mismo, este tipo de movimiento periódico en el tiempo para siempre.
Strogatz (07:27): Suena a ciencia ficción.
jemani (07:29): Sí, quiero decir, una vez que profundizas, realmente es ciencia, no ciencia ficción, pero es genial. Sí.
Strogatz (07:36): Es un poco difícil de creer. Ya sabes, estamos tan acostumbrados a pensar en, digamos, cualquiera que haya tenido un reloj de pie, ya sabes, que se basa en un péndulo que se balancea hacia adelante y hacia atrás. Lo hacen bastante bien por un tiempo, pero si vas dentro del reloj de péndulo en un reloj de pie, hay algunos pesos que comienzan a bajar más y más. Y como después de que pasa una semana, están en el fondo, y tienes que volver a levantarlos. Como si eso fuera ponerle una fuente de energía, para mantener el reloj en marcha. ¿Qué tiene de diferente, como, cómo puede un cristal de tiempo evitar eso?
jemani (08:06): Genial, gran pregunta, Steve. Entonces, podemos usar un péndulo simple para entender por qué la segunda ley de la termodinámica y la primera ley de la termodinámica te dirían que los cristales de tiempo o las máquinas de movimiento perpetuo son imposibles. Y, de hecho, esta había sido la sabiduría aceptada durante siglos. Y los desarrollos recientes que nos han permitido ver un cristal del tiempo provienen de un rincón de la física en el que estas leyes de la termodinámica simplemente no se aplican. Así que llegaremos a eso más tarde.
(08:38) Pero volvamos al péndulo. Y, ya sabes, para el péndulo, como dijiste, ya sabes, debería necesitar alguna fuente de energía, ¿verdad? Debería necesitar algo; necesita ser rebobinado. Y una razón simple para eso es la fricción. Bien, tu péndulo se balancea y hay fricción en los cojinetes de bolas, lo que provoca cierta disipación de energía. Pero, ya sabes, seamos físicos teóricos por un momento y vivamos en un mundo idealizado donde decimos que, ya sabes, no hay fricción. Y hemos metido nuestro péndulo en una jarra de vacío perfecta, que no tiene fricción. Entonces, podemos eludir la primera ley de la termodinámica o esta pérdida de energía debido a la fricción trabajando en este entorno ideal. Pero incluso entonces, tenemos que lidiar con la segunda ley de la termodinámica, que dice que los sistemas se relajan hasta alcanzar estados de equilibrio que maximizan la entropía.
(09:34) Bien, entonces lo que esto significa para el péndulo es que si piensas en el péndulo como una sola partícula... Entonces, si pudieras tomar una partícula al final de una cuerda y hacer que se mueva, y la metes en un entorno sin fricción, de hecho, eso podría durar para siempre. Pero una pesa de péndulo real es un sistema de muchos cuerpos con muchos, muchos átomos y hay un modo de centro de masa para el péndulo que puede oscilar para siempre. Pero con el tiempo, la energía se redistribuye desde el modo del centro de masa hacia todos los otros numerosos modos internos de todos los átomos que forman la lenteja del péndulo. Y eventualmente, ese movimiento de redistribución hace que el péndulo se detenga en este estado de equilibrio de entropía maximizada.
Strogatz (10:25): Entonces, si te entiendo, estás diciendo que si tuviera una barra como, digamos, hecha de acero, y luego al final de la barra, hay una bola pesada, esa es mi pesa de péndulo, incluso si Tenía un rumbo perfecto en la parte superior del brazo del péndulo, de modo que no tenía ninguna fricción al balancearme sobre ese rodamiento. Si te escucho, ¿estás diciendo que con el tiempo, el balanceo del péndulo haría que la barra de hierro o de acero se moviera internamente (también está hecha de átomos) y sus átomos comenzarían a moverse. Parecería imperceptible a simple vista, pero habría algún tipo de sacudida o calentamiento o algo que le sucedería a esa barra de suspensión que con el tiempo, incluso con un rumbo perfecto, haría que el péndulo se amortiguara.
jemani (11:11): Exacto. E incluso si no tuvieras una barra de suspensión pero tuvieras una cuerda invisible perfecta, la lenteja misma tendría muchos, muchos átomos.
Strogatz (11:21): Ah, el bob, OK, hombre. Es muy difícil eludir esta segunda ley.
jemani: Exactamente
Strogatz (11:27): Sí. Así que déjame probar algo contigo aquí, es un poco tonto, pero... estoy tratando de imaginar qué, ya sabes... Mencionaste simetría continua en el tiempo o simetría discreta en el tiempo. ¿Hay alguna manera de que puedas cantarlas para nosotros? ¿Cómo sonaría la simetría continua? ¿Cómo sonaría la simetría discreta?
jemani (11:45): OK, entonces la simetría continua es solo un zumbido constante, por así decirlo: Hmmm. Mientras que la simetría discreta sería bip bip bip bip bip. Así que una repetición periódica para siempre. Ahora, un cristal de tiempo en realidad: los cristales de tiempo que hemos descubierto, en realidad no rompen la simetría de traducción continua, pero rompen aún más la simetría de traducción discreta. Eso significa que el sistema, las ecuaciones con las que comenzamos, ya tenían bip bip bip bip bip. Y el cristal del tiempo entra y hace bip bop bip bop bip bop. Entonces, aunque nuestras ecuaciones se repetían, digamos, cada segundo, el cristal de tiempo ahora se repite cada dos segundos. ¿DE ACUERDO? Entonces rompe esa simetría discreta más abajo a una simetría discreta aún más pequeña.
Strogatz (12:43): Bien. Y está ahí, quiero decir, suena como una especie de melodía de jazz. Pero me pregunto por qué para un físico sería eso notable. Como, ¿por qué es eso? Porque es un gran problema, usted y sus colegas con la realización experimental de ellos. ¿Qué tiene esto de emocionante para ti?
jemani (13:01): Entonces, para mí, lo que es realmente emocionante de esto es que los cristales de tiempo son un nuevo ejemplo de una fase de la materia que no está en equilibrio. Bien, soy un físico de muchos cuerpos, estudio los fenómenos emergentes de los sistemas con muchas, muchas partículas. Y este ha sido un patio de recreo muy rico, ya sabes. No se puede hablar de fases de la materia para un solo átomo. Es imposible decir si una sola molécula de agua está en fase líquida o en fase sólida. Pero cuando junta miles de millones y miles de millones de átomos, muchas, muchas partículas, puede obtener todo tipo de fenómenos emergentes novedosos, que van desde los sólidos, líquidos y gases familiares hasta cosas mucho más exóticas como semiconductores y superconductores.
(13:51) Y gran parte de las últimas décadas de la física cuántica se ha dedicado a pensar en todas las propiedades exóticas y sorprendentes que pueden mostrar los sistemas de muchas partículas cuánticas que interactúan fuertemente. Pero toda esta comprensión se basa fundamentalmente en las leyes de la termodinámica de equilibrio, ¿de acuerdo? Y la razón de esto es que es muy, muy difícil describir sistemas de miles de millones de partículas, ya sabes. Ellos, hay algo en la mecánica cuántica, hay estados cuánticos que viven en lo que se conoce como espacio de Hilbert, y el espacio de Hilbert es exponencialmente grande. Si piensa en el estado de una sola partícula que tal vez pueda ser, simplifiquemos y digamos que podría ser uno de dos estados, arriba o abajo, cara o cruz.
(14:44) Pero ahora veamos dos partículas. Ya sabes, ahora hay cuatro estados. Mira tres partículas, hay ocho. Y este número crece astronómicamente rápidamente. Entonces, al describir sistemas de muchas, muchas partículas, es inútil tratar de hacer un seguimiento de cada partícula individual. En cambio, lo que hacemos es confiar en algunas descripciones estadísticas macroscópicas de estos sistemas de muchas partículas, por lo que puede hablar sobre cosas como la temperatura, la densidad, y usa estas variables macroscópicas para caracterizar su estado cuántico. Y luego, en términos de eso, y luego puedes tomar esos estados de equilibrio definidos en términos de algunas variables macroscópicas y hablar sobre las fases de la materia. Bien, este ha sido el programa durante las últimas décadas. Pero ya sabes, el equilibrio es solo un pequeño rincón de todo lo que es posible, ¿verdad? Si piensas en el mundo que te rodea, nada está en equilibrio. ¿Bien?
(15:44) Así que pensar en los estados de equilibrio es un pequeño rincón de lo que es posible en la descripción de los sistemas mecánicos cuánticos. Y ahora, por primera vez, tenemos una ventana, tanto experimental como teóricamente, tenemos una idea de cómo pensar en los estados de no equilibrio de la materia cuántica. Y en estos escenarios de no equilibrio, es posible que las leyes de la termodinámica en las que confiamos tan extensamente simplemente no aplicar.
Strogatz (16:20): Tal vez, bueno, vamos a… Antes de entrar en eso, porque sigues mencionando “equilibrio”. Es una palabra que se usa en el habla ordinaria. La gente sabe, ya sabes, “estoy en equilibrio; No estoy, como, no me estoy moviendo, estoy equilibrado”. Pero, ¿a qué te refieres cuando dices equilibrio? Porque sigues hablando de muchas partículas, o de muchos sistemas corporales. Entonces, ¿qué es, en términos simples, qué significa estar en equilibrio? ¿O qué significa estar fuera de equilibrio?
jemani (16:47): Por equilibrio, quiero decir que ciertas propiedades macroscópicas estadísticas del sistema no cambian en el tiempo, incluso microscópicamente, el sistema podría estar en todas partes y cambiando constantemente,
Strogatz (17:01): OK, como si estuviera sentado aquí en un estudio donde el aire de mi habitación se mantiene, eso... No noté ningún escalofrío repentino en la habitación. La temperatura se mantiene igual, pero las moléculas de aire individuales se mueven rápidamente por la habitación.
jemani (17:15): Exacto. Así que imagina que, ya sabes, creaste una barrera. Supón que pintaste todas las moléculas de aire de color rosa, y escogiste una molécula y la pintaste de negro. Y digamos que comienzas con una barrera para que todas tus moléculas comiencen en la mitad de la habitación. Y luego levantaste la barrera y esperaste un poco, ¿de acuerdo? Luego, muy rápidamente, la densidad de estas moléculas se vería estadísticamente uniforme en todas partes. Pero si tratas de tomar esa molécula trazadora, que era negra, sigue dando vueltas como un loco, ¿verdad? Entonces, si estuviera tratando de rastrear esa molécula, nunca está en equilibrio.
Strogatz: OKAY.
jemani (17:57): Pero si estás tratando de rastrear algo como la densidad de las moléculas en cualquier región del espacio, eso muestra un transitorio inicial y luego se establece en un estado cercano al equilibrio. Bien.
Strogatz (18:10): Sí. Y creo que la gente sabe esto desde los días en que se permitía fumar en lugares públicos, ¿verdad? Como si alguien por allí estuviera emitiendo una bocanada de humo. Y luego, si esperabas lo suficiente, y como si estuvieras atrapado en un avión con ellos o algo así, ese humo se esparciría por toda la habitación y, finalmente, ya sabes, supongamos que han dejado de fumar ahora, como toda la habitación. se llenaría uniformemente con las partículas de humo y no se notaría ninguna columna ni estructura. Sí. DE ACUERDO. Entonces, las cosas llegan a una especie de equilibrio en estas condiciones, si están cerradas, y simplemente no entra ni sale energía o, sí, está bien, pero ¿cómo es el "fuera de equilibrio"?
jemani (18:50): "Fuera de equilibrio" sería sorprendentemente que supongamos que comienzas de nuevo, con todo tu aire en la mitad derecha de la habitación, y levantas la barrera. Y luego esperó y esperó y esperó y esperó y volvió y encontró que la mayor parte de su aire estaba atrapado en la mitad izquierda de la habitación, aunque no había ninguna barrera física que le impidiera salir. .
Strogatz (19:13): Es decir, esa es una imagen rara.
jemani (19:16): Sí. Eso suena loco. Pero en un sistema real de átomos cuánticos, en el entorno cuántico, este es un fenómeno conocido como localización de muchos cuerpos. La localización solo significa que las cosas se atascan.
(19:30) Bien. Entonces, este experimento se realizó en el laboratorio en un grupo experimental en Alemania, donde prepararon una trampa atómica donde todos los átomos estaban en la mitad izquierda de la trampa, y luego esperaron mucho tiempo, mientras su experimento permitiría, y luego regresaron y los átomos permanecieron preferentemente en la mitad izquierda de la trampa.
(19:56) Entonces, en el entorno cuántico, ahora sabemos que esta es una posibilidad. Y la razón por la que esto evita por completo la segunda ley de la termodinámica, no quiero decir "la rompe", es solo un entorno en el que la ley de la termodinámica no se aplica. Y eso es porque la segunda ley de la termodinámica te dice que los sistemas alcanzan estados de equilibrio que maximizan la entropía, ¿de acuerdo? Entonces, al maximizar la entropía, solo significa que irá a todos los lugares a los que pueda ir. ¿DE ACUERDO?
(20:28) Así que simplemente explora todo lo que está disponible. Pero en la configuración de la que te hablé, si comienzas con átomos en la mitad izquierda y permanecen en la mitad izquierda, entonces claramente no están explorando todo el espacio que está disponible para ellos, porque no se están filtrando en la mitad derecha, ¿verdad?
Strogatz: Si.
jemani (20:47): Entonces estamos hablando de sistemas cuánticos que pueden permanecer fuera de equilibrio. Lo que significa que todas nuestras nociones habituales de cómo pensar sobre las fases de la materia restringidas por las leyes de la termodinámica del equilibrio deben revisarse. Y lo que es realmente emocionante es que el universo completo de todo lo que podríamos obtener en este nuevo entorno cuántico fuera del equilibrio está completamente abierto, ¿sabes? Así que los cristales de tiempo son solo la punta del iceberg. Y creo que es solo un ejemplo muy llamativo de algún tipo de nuevo fenómeno fuera del equilibrio. Pero en realidad, lo que me emociona es qué más hay ahí fuera, ¿sabes? Todo lo que creíamos saber ahora lo podemos volver a imaginar.
Strogatz (21:35): Estas increíbles posibilidades que estás describiendo, de estos sistemas cuánticos de muchos cuerpos que de alguna manera se las arreglan para mantenerse lejos del equilibrio, no sé si alguna vez he visto uno en mi casa. ¿Es algo que ocurre en el mundo natural?
jemani (21:50): No, no. Entonces, a diferencia del diamante o la sal de roca, ya sabes, no puedes extraer cristales de tiempo. Entonces estos son, estos son fenómenos que existen en sistemas cuánticos de alta ingeniería. Muchos de estos avances teóricos en el pensamiento sobre los sistemas cuánticos que permanecen fuera de equilibrio para siempre, han sido motivados en parte por los avances experimentales en la construcción de sistemas controlables y coherentes cuánticos.
Strogatz (22:23): Parece que estás a punto de decir computación cuántica, que existe esta carrera alrededor del mundo en China, EE. UU., Europa para construir esto de lo que la gente ha estado hablando durante décadas, la idea de usar la mecánica cuántica en un nuevo tipo de computadora. Así que ese es el hardware del que parece que estás hablando.
jemani (22:41): Sí, así es. Y, de hecho, gran parte de este esfuerzo ha sido motivado por la búsqueda de construir una computadora cuántica. Estamos muy, muy lejos de allí ahora. Y ya sea que lleguemos allí o no, estos nuevos sistemas, estas nuevas plataformas que los laboratorios de todo el mundo han construido ya son sorprendentes como nuevos tipos de experimentos para la física de muchos cuerpos.
Strogatz (23:03): Solo quiero subrayar eso. No quiero cortarte. Pero creo que es genial lo que acabas de decir, quiero asegurarme de que nuestros oyentes escuchen eso. Porque la gente ha escuchado todo este bombo sobre la computación cuántica y cómo va a, ya sabes, romper nuestra criptografía en Internet, o va a esto o va a aquello. OK, ya veremos, eso puede resultar cierto o no. Pero estamos, como dices, estamos lejos de eso.
jemani: Correcto
Strogatz (23:25): Pero lo que sí tenemos es lo que acabas de llamar estas plataformas cuánticas que algún día pueden darnos computadoras cuánticas, pero ahora mismo, nos están dando estos nuevos patios de recreo cuánticos, o cajas de arena, para hacer experimentos muy interesantes y ver extraños nuevos fenómenos físicos.
jemani (23:40): Exacto. Y estos nuevos experimentos nos permiten investigar la materia cuántica de maneras que son extremadamente diferentes de los experimentos a los que teníamos acceso. Sabes, en el pasado, tus experimentos fueron diseñados para sondear fenómenos cercanos al equilibrio. Empiezas con alguna muestra. Le conectas algunas pistas. Tal vez los cables estén a temperaturas ligeramente diferentes, ves algo de corriente fluyendo a través de la muestra, ¿sabes? Pero estos nuevos tipos de experimentos cuánticos nos están dando acceso a nuevos regímenes completamente nuevos de sistemas cuánticos, en particular regímenes fuera de equilibrio. Y también nos permiten nuevos tipos de sondas en este tipo de plataformas cuánticas. Entonces, para mí, lo que es realmente emocionante es que tenemos nuevos experimentos que nos permiten hacer preguntas sobre nuevos regímenes en los que puede existir la materia cuántica.
Strogatz (24:34): Y entonces colaboraste con algunas personas en esto. Quiero decir, no tienes la plataforma cuántica de la que estamos hablando en tu laboratorio.
jemani (24:42): No, no, estoy de lleno en Theory Land.
Strogatz (24:45): Bien. Eres un teórico. Está bien. Ni siquiera tienes un laboratorio, parece.
jemani: Si.
Strogatz (24:49): Pero entonces, ¿con quién trabajaste? ¿Que Grupo?
jemani (24:52): Entonces trabajamos con el equipo de Google. Entonces, Google ha sido uno de los líderes en el esfuerzo por construir estos dispositivos cuánticos. Y en particular, tienen un chip llamado chip Sycamore. Así que trabajamos con su equipo para usar su plataforma cuántica controlable para Darse cuenta de esta fase de cristal de tiempo.
Strogatz (25:12): Ajá. Entonces, ¿cuáles son algunos de los ingredientes? En su cristal de tiempo, ha mencionado el chip Sycamore de Google. ¿Es suficiente? ¿Necesitas algún otro componente?
jemani (25:25): Entonces, ¿qué te permite hacer el chip Sycamore? Ahora mismo estamos pensando en esta plataforma cuántica como un simulador cuántico. Ahora, este chip, al tratar de construir una computadora cuántica, lo que te permite hacer es realizar un sistema de qubits. OK, entonces, ¿qué son los qubits primero? Sabes que en una computadora clásica tienes bits, que son ceros y unos. Y fundamentalmente, todo el cálculo se reduce a cadenas de ceros y unos, y operaciones que actúan sobre esas cadenas. ¿DE ACUERDO? Ya sabes, en lugar de un bit, tenemos un qubit o un bit cuántico. Y este qubit estará en una mezcla o superposición, una mezcla coherente de cero y uno, hasta que ingrese y realice una medición. Y cuando haces una medición, entonces sabes si es cero o uno.
Strogatz (26:21): Está bien, pero ahora, en tu caso, no vas a usar el chip Sycamore, o esta plataforma cuántica, para calcular nada. No está tratando de resolver un problema computacional difícil, pero está tratando de usar la capacidad de la plataforma cuántica para hacer trucos increíbles en el tiempo.
jemani: Exactamente
Strogatz (26:41): Suena como, y trataste de hacer que funcionara, estábamos hablando de bip bip y bip bop bip bop. Es eso, ¿podemos tal vez podamos relacionarlo con eso ahora? ¿Qué conseguiste que hiciera tu chip?
jemani (26:53): Sí, así que cualquier cálculo es solo una evolución en el tiempo. ¿DE ACUERDO? Pero si quieres factorizar números enteros, ese es un tipo de cálculo muy difícil y muy específico que es muy difícil de hacer. Pero mientras tanto, ahora que tenemos estas puertas que hacen que los qubits interactúen de cierta manera para obtener la bip bip bip bip bip parte de eso... Digamos que tenemos dos tipos de puertas solo para simplificar esto, ¿de acuerdo? Tenemos un tipo de puerta que hace que los qubits interactúen entre sí. Y luego tenemos un tipo de puerta que cambia el estado del qubit.
Strogatz: Está bien, ajá.
jemani (27:31): Entonces, lo que la plataforma cuántica puede hacer es aplicar una secuencia de puertas de manera periódica. Bien, digamos que aplico una capa de las puertas que interactúan, una capa de las puertas que se mueven, una capa de las puertas que interactúan, una capa de las puertas que se mueven, OK. Y luego puedo, puedo continuar eso en este patrón periódico. Así que ese es el bip bip bip bip bip bip.
Strogatz (27:57): Ya veo, ajá. Estás imponiendo eso, estás imponiendo eso en el chip.
jemani: Estoy imponiendo eso en el chip.
Strogatz (28:02): — pero el chip no responde con la misma simetría.
jemani (28:05): Exacto. Y luego entro y mido mi sistema después de cada bip bip bip bip bip. Pero encuentro que, oh, en realidad, el estado no bip bop bip bop bip bop y solo vuelve a sí mismo cada dos períodos y no respeta esa simetría. Y lo importante para llamarlo una fase de la materia es que todo esto es estable. Bien, entonces puedes entrar y puedes cambiar los parámetros de las puertas de interacción, puedes cambiar la cantidad en la que lo volteas. Y en una amplia gama de parámetros, continúa obteniendo esto bip bop bip bop bip bop respuesta.
Strogatz (28:45): Ya veo. Así que no es una cosa muy delicada, como súper seleccionada.
jemani: De nada.
Strogatz (28:50): Es bastante robusto. Parece que es totalmente robusto.
jemani (28:53): Exacto. Lo llamamos “absolutamente estable” en uno de nuestros trabajos. Y eso es importante. Sabes, quieres llamarlo una fase de la materia, esto es realmente, esto es realmente muy, muy sólido. No es una evolución afinada de ninguna manera.
Strogatz (29:05): ¿Puedes compartir con nosotros tu propio sentimiento cuando te diste cuenta por primera vez de que esta idea que tuviste años antes estaba funcionando en la vida real? ¿Como saltaste por la habitación? ¿Empezaste a cantar? ¿Qué hiciste?
jemani (29:18): No, porque era un camino largo aquí. ¿Bien? Así que tuvimos esta idea hace años y, lo siento, no la tengo, ¡“No” suena muy negativo!
Strogatz (29:27): Podrías decir lo que sea. Dime la verdad. ¿Qué pasó? Sí.
jemani (29:32): No, esto no fue realmente como un momento eureka, pero tomó varios años en desarrollo. Así que ya sabes, teníamos esta idea teórica de un tipo de evolución, un tipo de sistema que mostraría este fenómeno. Y luego hubo muchos experimentos asombrosos que, ya sabes, vieron partes de esto y muy rápidamente intentaron realizar algo de esta física en muchas plataformas diferentes. Y, ya sabes, todos estos experimentos precursores vieron ciertos aspectos de la física, pero no la física en todo su esplendor. En todo su esplendor, sabes que la definición de esta fase de la materia es a través de algo llamado orden de estado propio, que se extiende por todo el espectro del sistema. Es coherencia cuántica a temperaturas muy, muy altas, ya sabes, eso no es del todo exacto, pero a energías muy altas. ¿DE ACUERDO? Y, y ningún experimento realmente había visto esa parte de eso.
(30:31) Bien, entonces. Entonces, lo que hicimos durante varios años desde la concepción teórica y los experimentos precursores es realmente trabajar para identificar lo que se necesitaría... Ya sabes, ¿cuáles son los tipos de interacciones programables que estaríamos buscando en una plataforma cuántica? Y cuáles son los tipos de capacidades para las mediciones que estaríamos buscando en una plataforma para poder hacer este tipo de experimento. Y eso requirió mucho análisis detallado de lo que habían hecho los diferentes experimentos, lo que habían logrado, lo que faltaba. Y luego, mirando a nuestro alrededor, dijimos: "Está bien, el experimento de Google en su encarnación actual, con las capacidades que tenían, es una buena plataforma, [marca] todas las casillas para poder realizar esta física". Entonces nos acercamos al equipo de Google y partimos de ahí.
Strogatz (31:24): Ahora, esta idea de usar estas plataformas cuánticas, ya sabes, como computadoras, en realidad es una especie de idea antigua, ¿no es así? Volviendo a Richard Feynman, el gran físico y bromista de Caltech, bromista, travieso, también un gran maestro, una persona problemática en ciertos aspectos. Pero de todos modos. Feynman tuvo esta visión de la computación cuántica. Me pregunto qué, ¿tal vez podría resumirnos? ¿Para qué creía que podían usarse las computadoras cuánticas? ¿Y qué crees que habría pensado sobre lo que hiciste? Solo para especular.
jemani (31:58): En realidad, Feynman fue quien dijo que si estás tratando de simular la materia cuántica, bueno, usa una computadora cuántica. ¿Bien? Porque la materia cuántica vive en este espacio de Hilbert exponencialmente grande. [Si está] tratando de simular sistemas cuánticos en su computadora clásica, está tratando de encajar una clavija cuadrada en un agujero redondo. Simplemente no está diseñado para eso. Sabes, creo que Feynman realmente nos ayudó a comenzar este camino de pensar en estos sistemas cuánticos como simuladores cuánticos. Y nuestro experimento es realmente un ejemplo de una simulación cuántica.
Strogatz (32:33): ¿Los físicos necesitan computadoras cuánticas? Por ejemplo, ¿crees que las computadoras que usan la arquitectura Sycamore u otra cosa realmente ayudarán a los físicos a continuar entendiendo o incluso a descubrir nuevas formas exóticas de materia cuántica?
jemani (32:49): Sí, y creo que ya lo han hecho. ¿Bien? Porque creo que la capacidad de realizar, estudiar y sondear experimentalmente la materia cuántica en todas estas formas diferentes de no equilibrio nos ha obligado en Theory Land a pensar realmente en todas las cosas asombrosas que los sistemas cuánticos pueden hacer en regímenes que están lejos de lo que es. estábamos acostumbrados a pensar. Y esto ya ha llevado a muchos tipos nuevos y sorprendentes de fenómenos que hemos entendido, como cristales de tiempo, en nuevas posibilidades para sistemas cuánticos fuera de equilibrio. Y, de hecho, la esperanza es que en algún momento, ya sabes, esta nueva comprensión teórica de lo que pueden hacer los sistemas cuánticos aislados de la dinámica cuántica se realimentará también para ampliar los límites y construir mejores plataformas cuánticas. Creo que es un ciclo muy productivo.
Strogatz (33:48): Ajá. Bueno, estoy seguro de que algunos de nuestros oyentes se lo preguntan. ¿Esperamos ver venir aplicaciones? Ya sabes, ¿fuera de un laboratorio de física? Bueno, digamos para los cristales de tiempo, o tal vez los sucesores de los cristales de tiempo, ¿los estados aún más exóticos de la materia? ¿Podríamos alguna vez tener algo como la forma en que el transistor fue una vez un emocionante sistema cuántico que entonces, ahora está en cada, ya sabes, cada radio, cada computadora?
jemani (34:12): Sí, creo, creo que respondiste la pregunta. Es decir, la razón por la que trabajo en esto es por la alegría que me da entender lo que pueden hacer los diferentes sistemas cuánticos. Pero cada vez que tienes una nueva fase estable de la materia que puede hacer cosas inesperadas... Ya sabes, la posibilidad de que más adelante pueda usarse en algún tipo de aplicación siempre es real, ¿verdad? Como cuando Einstein estaba pensando en la relatividad general, no previó que sería, se abriría paso en el GPS de su teléfono, ¿verdad? Y como dijiste, cuando la gente estaba pensando en los semiconductores, seguramente no podrían haber imaginado la revolución de los semiconductores que siguió.
Strogatz (35:00): Bueno, es un ejemplo muy inspirador de investigación impulsada por la curiosidad. Quiero decir, me encanta la forma en que sales y dices que lo haces por placer, solo para probar el comportamiento extraño y fascinante que es posible en los sistemas cuánticos. Y aún no sabemos adónde irá. Pero necesitamos gente como tú, con curiosidad, haciéndolo solo por la emoción de hacerlo. Entonces Vedika Khemani. Muchas gracias por hablar con nosotros hoy.
jemani (35:25): Gracias, Steve. Fue muy divertido.
Locutor (35:29): Manténgase actualizado sobre los últimos acontecimientos en ciencia y matemáticas. Regístrese para el Quanta revista Boletin informativo. Es gratis y llega todos los viernes a la bandeja de entrada de tu correo electrónico. Dirígete a quantamagazine.org para obtener más información sobre cómo registrarte.
Strogatz (35: 43): La alegría de por qué es un podcast de Quanta revista, una publicación editorialmente independiente apoyada por la Fundación Simons. Las decisiones de financiación de la Fundación Simons no tienen influencia en la selección de temas, invitados u otras decisiones editoriales en este podcast o en Quanta revista. La alegría de por qué es producido por Susan Valot y Polly Stryker. Nuestros editores son John Rennie y Thomas Lin, con el apoyo de Matt Carlstrom, Annie Melchor y Allison Parshall [así como Nona McKenna y Zack Savitsky]. Nuestro tema musical fue compuesto por Richie Johnson. Agradecimiento especial a Bert Odom-Reed de Cornell Broadcast Studios. Nuestro logo es de Jaki King. Soy su anfitrión Steve Strogatz. Si tiene alguna pregunta o comentario para nosotros, envíenos un correo electrónico a Gracias por su atención.
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