Explorando los cristales de tiempo más complejos hasta la fecha con supercomputadoras centradas en la cuántica

Un equipo de investigadores ha logrado una de las demostraciones más grandes y complejas de un cristal de tiempo utilizando un chip IBM Quantum Heron, como se describe en un artículo publicado hoy (28 de enero) en Nature Communications.

Este trabajo, en el que participaron científicos de Basque Quantum (BasQ), NIST y de IBM, demuestra el poder de los ordenadores cuánticos actuales para impulsar avances relevantes en otras disciplinas científicas, así como las oportunidades que se generan cuando el hardware cuántico y clásico trabajan en conjunto dentro de una arquitectura de supercomputación centrada en la cuántica.

¿Qué es un cristal de tiempo?

Los cristales son materia organizada en patrones repetitivos que resisten la deformación. Estamos acostumbrados a ver cristales en la naturaleza: los copos de nieve, los diamantes y la sal de mesa adoptan formas distintivas debido a la disposición regular de sus moléculas en el espacio. Los cristales de tiempo, sin embargo, forman sus patrones resilientes a través del tiempo, en lugar de en el espacio.

Además, los cristales convencionales adoptan estas estructuras sin necesidad de aportar ni liberar energía; están en equilibrio térmico. Los cristales de tiempo son diferentes. Son ejemplos poco comunes de dinámicas fuera del equilibrio. Un cristal de tiempo es una fase de la materia que solo existe fuera del equilibrio.

Al bombear energía periódicamente en ciertos tipos de sistemas cuánticos, estos exhiben ritmos estables, como los giros de partículas que cambian de dirección. El sistema se bloquea en un ciclo, alternando en un patrón que generalmente se alinea con cada otro latido del bombeo. Esto los convierte en una rara excepción a la idea de que la información cuántica se desordena. Incluso a medida que más energía entra en el sistema, permanece una huella del estado cuántico original.

Cómo el hardware de IBM ayudó a llevar los cristales de tiempo a una nueva escala y complejidad

Los cristales de tiempo son delicados y difíciles de configurar, y solo se han creado unas pocas veces en entornos de laboratorio. Requieren arreglos precisos de partículas en sistemas cuánticos altamente coherentes que estén bien protegidos del calor y el ruido.

Hasta hace muy poco, estas limitaciones significaban que solo era posible estudiar cristales de tiempo unidimensionales en entornos de laboratorio: los investigadores configuraban cadenas de átomos, cada uno vinculado al siguiente en una línea. Los investigadores habían teorizado sobre cristales de tiempo a escalas más grandes, pero son difíciles de modelar computacionalmente. Añadir más dimensiones a un cristal de tiempo hace que las interacciones superpuestas crezcan rápidamente en complejidad, volviéndose imposibles de predecir con métodos clásicos.

Los ordenadores cuánticos de IBM, con sus procesadores aislados del calor y del ruido exterior, ofrecen un entorno ideal para estudiar fenómenos cuánticos como los cristales de tiempo. El equipo detrás de la investigación más reciente anunció que había construido un cristal de tiempo bidimensional de 144 qubits en el chip Heron. Dado que los qubits son objetos cuánticos, los investigadores no solo están simulando un cristal de tiempo, sino creándolo utilizando qubits como la unidad básica.

En dos dimensiones, las señales se mueven de maneras mucho más complejas a través del sistema de muchos cuerpos. Emergen dinámicas que nunca antes se habían estudiado en experimentos de laboratorio o simulaciones clásicas. "La dimensionalidad importa. No es lo mismo alinear cosas en una dimensión que en dos. Y el tamaño importa", lo que significa que un cristal de tiempo más grande actuará de manera diferente a uno más pequeño, dijo Nicolás Lorente, investigador en el Centro de Física de Materiales de Donostia y parte de BasQ, quien es autor del artículo.

Hasta ahora no estaba claro si un cristal de tiempo de esta complejidad era posible fuera de modelos muy artificiales, dijo Niall Robertson, científico investigador de IBM, también autor del artículo. Pero este trabajo ayuda a mostrar que los cristales de tiempo en 2D son robustos más allá de escalas muy pequeñas, lo que podría tener implicaciones para futuras investigaciones. Y, en el tamaño de cristal más grande que estudiaron, el equipo probó parámetros en Heron que no pudieron simular en un ordenador clásico.

"Necesitábamos absolutamente el sistema cuántico para poder investigar algo tan grande como lo hicimos", dijo Eric Switzer, físico teórico de materia condensada en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y autor del artículo.

Este trabajo prepara el terreno para explorar los cristales de tiempo en mayor profundidad. Los investigadores están interesados, por ejemplo, en el papel del desorden en los cristales de tiempo. Ahora, los investigadores están probando cuánto desorden pueden tolerar; cierta cantidad de desorden es necesaria para estabilizar un cristal de tiempo, pero demasiado desorden amenaza con hacerlo estallar.

Una mejor comprensión de los cristales de tiempo podría mejorar el conocimiento sobre una amplia gama de "interacciones tipo Heisenberg" en la ciencia de materiales donde los giros de las partículas se influyen mutuamente. Hay implicaciones para estudiar imanes de moléculas individuales, cadenas metálicas y arquitecturas basadas en puntos cuánticos (una clase de semiconductores a nanoescala con muchas aplicaciones tecnológicas).

Computación cuántica y clásica, trabajando juntas

Siempre que hay un resultado cuántico interesante, una de las tareas más importantes es verificarlo. El equipo utilizó un enfoque de vanguardia para simular el estado cuántico en una red de tensores usando propagación de creencias y luego comparó esos resultados con los obtenidos a partir del ordenador cuántico.

Todos los cálculos cuánticos pueden representarse mediante tensores muy grandes, objetos matemáticos con datos ordenados como hojas de cálculo, pilas de hojas de cálculo o archivadores llenos de pilas de hojas de cálculo. Sin embargo, los tensores necesarios para simular sistemas cuánticos son demasiado grandes como para poder simularse con los recursos convencionales de la computación clásica.

Los métodos de redes de tensores utilizan computación clásica para simplificar estos grandes tensores en un mayor número de tensores más pequeños, aunque sacrificando algo de precisión en el proceso. Cada pieza captura parte del sistema, y las conexiones entre las piezas reflejan cómo se relacionan esas partes entre sí. Las redes de tensores pueden usarse para aproximar estados cuánticos en ordenadores clásicos. Por su parte, la propagación de creencias es un método sofisticado para actualizar o extraer información de forma aproximada a partir de un estado cuántico representado mediante estas redes de tensores.

Gran parte de la actual carrera por la ventaja cuántica puede entenderse como una competencia entre computadoras cuánticas y los mejores métodos de redes de tensores. Sin embargo, en el paradigma de la supercomputación centrada en la cuántica, también podemos utilizar técnicas basadas en tensores para mejorar los propios cálculos cuánticos. En esta nueva era de la computación cuántica, se busca desarrollar algoritmos que integren simultáneamente circuitos cuánticos y tensores, distribuyendo cada una de estas herramientas en el hardware más adecuado para abordarlas.

En este artículo, los investigadores comienzan a explorar cómo usar técnicas clásicas para refinar la ejecución cuántica. Implementaron nuevos métodos de mitigación de errores para aumentar la precisión y reducir los márgenes de error de los resultados cuánticos.

Este es un ejemplo de hacia dónde esperamos que se dirijan los trabajos más emocionantes en computación cuántica en el corto plazo: recursos cuánticos y clásicos de computación de alto rendimiento trabajando conjuntamente en arquitecturas de supercomputación centradas en lo cuántico (QCSC, por sus siglas en inglés). Muchas ejecuciones de HPC implicarán operaciones repartidas entre CPUs, QPUs y GPUs, con cada pieza de hardware encargándose únicamente de los cálculos para los que está mejor preparada.

El siguiente gran paso, según indicaron los investigadores, consistirá en intentar construir un cristal de tiempo más complejo en el entorno más interconectado de los chips IBM Quantum Nighthark, donde los qubits se conectan con hasta cuatro vecinos, en lugar de dos o tres como en Heron. Una mayor conectividad implica mayor complejidad y la posibilidad de capturar nuevas dinámicas.

El equipo también está interesado en analizar qué pueden aportar las GPUs al lado clásico del trabajo, señaló Robertson. A medida que avanza la QCSC, su investigación continúa.