La tensión aquí radica en la fragilidad de nuestra tecnología actual. Actualmente intentamos construir computadoras cuánticas utilizando materiales que son notoriamente temperamentales. Si una molécula de calor perdida apenas roza un bit cuántico, o cúbit, todo el sistema colapsa. Al crear estos estados exóticos y dependientes del tiempo, Powell y su estudiante investigador Louis Buchalter han encontrado una manera de hacer que los sistemas cuánticos sean significativamente más estables. Resulta que si se mantiene la materia en un estado de cambio constante y rítmico, se vuelve más difícil para el ruido externo romperla.
El efecto de luz estroboscópica para el mundo cuántico
Para entender lo que lograron Powell y Buchalter, hay que dejar de pensar en la materia como algo sólido e inmóvil. A nivel cuántico, todo es una vibración. Por lo general, estas vibraciones se asientan en un surco predecible. La ingeniería de Floquet es, esencialmente, el proceso de golpear un material con una "luz estroboscópica" de energía (en este caso, un campo magnético cambiante) para forzar esas vibraciones a un patrón nuevo y exótico. Es como tomar un montón de arena y hacer vibrar el suelo de forma tan específica que los granos de arena no solo se queden ahí, sino que floten con la forma de una catedral.
El equipo de Cal Poly utilizó un proceso al que llamaron "Ingeniería de Floquet de conmutación de flujo". Suena a algo sacado de un reinicio de ciencia ficción de mediados de los noventa, pero la mecánica se basa en un principio organizativo matemático que refleja sistemas de dimensiones superiores. Al impulsar el sistema con cambios magnéticos temporizados, desbloquearon fases cuánticas que están "topológicamente protegidas". En lenguaje sencillo, esto significa que el estado de la materia está bloqueado por su propia geometría. No puedes romperlo fácilmente porque la propia forma de su existencia impide que se deshaga.
Esto es un gran avance para el futuro de la computación. Uno de los mayores obstáculos para una computadora cuántica funcional es el "ruido", la interferencia ambiental que causa errores. Si podemos construir cúbits a partir de estos estados exóticos y dirigidos, no solo los estamos haciendo más rápidos, los estamos haciendo robustos. Estamos pasando de construir computadoras con vidrio a construirlas con acero reforzado. Pero el costo es la energía. Debes mantener el sistema "impulsado" para que la materia siga existiendo. En el momento en que detienes el parpadeo, el truco de magia termina y la materia vuelve a su aburrido estado estático.
¿Por qué este cristal tiene fotones fantasma en su interior?
Un líquido de espín cuántico es un nombre un poco equivocado. No es líquido. En cambio, el término se refiere a los momentos magnéticos (los espines) de los átomos dentro del cristal. En un imán normal, como el de su refrigerador, estos espines apuntan todos en la misma dirección o siguen un patrón ordenado. En un líquido de espín cuántico, los espines están en un estado de desorden total y frenético, incluso al cero absoluto. Están "frustrados", lo que significa que nunca pueden encontrar un lugar cómodo para establecerse. Debido a que están en constante movimiento y entrelazados, crean partículas "fantasma": excitaciones que se comportan exactamente como la luz, pero que solo existen dentro de los confines del material.
¿Podemos realmente usar materia que se niega a seguir las reglas?
El hilo conductor entre la materia parpadeante en Cal Poly y los fotones fantasma en Rice es un rechazo total a la física clásica. Estamos entrando en una era en la que ya no preguntamos qué *es* un material, sino qué puede *hacer* cuando se le lleva al límite. Esto también se extiende al grafeno. Investigadores observaron recientemente electrones en el grafeno fluyendo como un líquido casi sin fricción, desafiando una ley fundamental de la física que dice que los electrones deberían moverse como bolas de billar individuales. En cambio, se mueven como miel, si es que la miel pudiera fluir a través de una tubería a la velocidad de la luz sin quedarse atascada nunca.
Luego están los cuasicristales. Durante 40 años, hemos luchado por entender estos materiales que parecen tener un patrón pero que en realidad nunca se repiten. Son los mosaicos del mundo cuántico: hermosos, complejos y aparentemente imposibles. Los científicos de la Universidad de Michigan finalmente descifraron el código sobre cómo crecen, revelando que se sitúan en la línea entre el orden y el caos. Al igual que los estados de Floquet, los cuasicristales representan un punto medio que no debería existir, proporcionando un puente entre el mundo predecible de un cristal de sal y la aleatoriedad total de un gas.
Las implicaciones industriales son asombrosas, pero debemos ser realistas. No vamos a tener teléfonos inteligentes impulsados por Floquet el próximo año. Ian Powell es el primero en admitir que la relevancia más directa es para la investigación y la simulación cuántica. El camino desde un laboratorio en Cal Poly hasta una planta de fabricación en Shenzhen es largo y está pavimentado con experimentos fallidos. Pero el muro conceptual ha sido derribado. Ahora sabemos que si no podemos encontrar el material que necesitamos para una tecnología específica, podríamos simplemente hacerlo existir mediante vibraciones utilizando campos magnéticos.
¿El futuro de la tecnología es solo una vibración bien sincronizada?
Si está sentado en el autobús leyendo esto, es probable que tenga en sus manos un dispositivo hecho de silicio, cobre y plástico, materiales que hemos entendido durante más de un siglo. El próximo salto no será una versión mejor de esos materiales. Será algo que se siente como hechicería. Estamos mirando un mundo donde nuestro hardware es "impulsado" por campos dependientes del tiempo, donde nuestra energía se mueve a través de cristales mediante partículas fantasma, y donde nuestras computadoras están construidas a partir de estados de la materia que técnicamente no existen cuando el dispositivo está apagado.
Existe cierta ironía en el hecho de que cuanto más aprendemos sobre los bloques de construcción fundamentales del universo, más nos damos cuenta de lo poco que hemos estado usando. Hemos estado tocando el piano usando solo tres teclas. La ingeniería de Floquet y el descubrimiento de líquidos de espín 3D son como si alguien finalmente abriera la tapa y nos mostrara las otras 85. Es desordenado, es complicado y rompe la mayoría de las reglas que pensábamos que estaban escritas en piedra. Pero como señaló Louis Buchalter después de su tiempo en el laboratorio, la investigación rara vez es un proceso sencillo. Se trata de perseverancia y de la voluntad de mirar un campo magnético y preguntarse qué sucede si accionas el interruptor más rápido de lo que nadie pensó que deberías.
La próxima década de la física no se tratará de descubrir nuevos elementos al final de la tabla periódica. Se tratará de los estados extraños, parpadeantes, frustrados y sin fricción que podemos crear en los espacios entre ellos. Ya no somos solo observadores del mundo físico. Somos sus editores, reescribiendo el código de la materia en tiempo real, un pulso magnético a la vez. Las leyes de la física no han cambiado, pero nuestra capacidad para evitarlas ciertamente sí. Y en esa brecha entre lo que es y lo que podría ser, la próxima revolución tecnológica está siendo vibrada hacia la vida.
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