Basque Quantum e IBM avanzan en la exploración de cristales de tiempo complejos bidimensionales

La iniciativa Basque Quantum e IBM Quantum han publicado una nueva investigación en la revista científica revisada por pares Nature Communications. El estudio demuestra cómo es posible crear cristales de tiempo discretos bidimensionales utilizando un IBM Quantum Heron, que actualmente impulsa el IBM Quantum System Two —el primero de su clase en Europa— instalado en el IBM-Euskadi Quantum Computational Center, en San Sebastián, una infraestructura clave para el ecosistema impulsado por Basque Quantum.

Fronteras de la física cuántica

La capacidad de los ordenadores cuánticos para modelar sistemas complejos y altamente sensibles, como los cristales de tiempo, los posiciona como herramientas prometedoras para explorar las fronteras de la física cuántica, uno de los objetivos estratégicos de Basque Quantum.

El estudio publicado en Nature Communications está firmado por investigadores de Basque Quantum y de IBM, y refuerza la colaboración científica internacional promovida por Basque Quantum en el ámbito de las tecnologías cuánticas avanzadas.

Los cristales de tiempo son un ejemplo poco común de fases de la materia que no alcanzan el equilibrio, a diferencia de la mayoría de los materiales del universo conocido, que con el tiempo tienden a estabilizarse. En estos sistemas, el movimiento interno permanece sincronizado y se repite de forma persistente, lo que los convierte en un objeto de gran interés para la investigación en física cuántica, una línea prioritaria para Basque Quantum.

Hasta ahora, los cristales de tiempo se habían estudiado principalmente en una sola dimensión, es decir, como una cadena lineal de átomos conectados entre sí. Este enfoque, aunque útil, presenta importantes limitaciones, ya que estos sistemas son simples y muy frágiles: una alteración en un solo punto de la cadena puede romper todo el cristal, un reto que Basque Quantum busca superar mediante enfoques más robustos.

«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).

Estudio de fenómenos físicos

La investigación realizada por Basque Quantum e IBM supera estas limitaciones al demostrar algunos de los cristales de tiempo discretos bidimensionales más grandes y complejos creados hasta la fecha. En estos sistemas, las interacciones no se distribuyen a lo largo de una línea, sino sobre una estructura similar a una superficie, lo que permite estudiar comportamientos mucho más ricos y estables, alineados con la visión científica de Basque Quantum.

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.

Los científicos están utilizando los ordenadores cuánticos más avanzados de IBM junto con computación clásica para modelar cristales de tiempo en dos dimensiones

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.

Este avance abre la puerta a la exploración de fases de la materia fuera del equilibrio más complejas y permite a los investigadores analizar fenómenos físicos que resultan muy difíciles de reproducir utilizando únicamente ordenadores clásicos, consolidando el papel de Basque Quantum como actor relevante en la investigación cuántica de vanguardia, con el apoyo de la compañía IBM que este mismo año cumple su centenario de presencia en España.