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Mudança eterna sem energia: um cristal do tempo finalmente tornado real

Como uma máquina de movimento perpétuo, um cristal de tempo percorre eternamente entre estados sem consumir energia. Os físicos afirmam ter construído essa nova fase da matéria dentro de um computador quântico.


Sinal Forte: Terra & Energia

Fonte: Quanta Magzine


Um cristal de tempo oscila para frente e para trás entre dois estados sem queimar energia.


Em uma pré-impressão publicada online na quinta à noite , pesquisadores do Google em colaboração com físicos de Stanford, Princeton e outras universidades dizem que usaram o computador quântico do Google para demonstrar um "cristal de tempo" genuíno. Além disso, um outro grupo de pesquisa afirmou no início deste mês ter criado um cristal de tempo em um diamante.

Uma nova fase da matéria que os físicos se empenharam em realizar por muitos anos, um cristal de tempo é um objeto cujas partes se movem em um ciclo regular e repetitivo, sustentando essa mudança constante sem queimar energia.

“A consequência é incrível: você foge da segunda lei da termodinâmica”, disse Roderich Moessner , diretor do Instituto Max Planck de Física de Sistemas Complexos em Dresden, Alemanha, e coautor do artigo do Google. Essa é a lei que diz que a desordem sempre aumenta.

Os cristais do tempo também são os primeiros objetos a quebrar espontaneamente a “simetria da tradução do tempo”, a regra usual de que um objeto estável permanecerá o mesmo ao longo do tempo. Um cristal de tempo é estável e em constante mudança, com momentos especiais que ocorrem em intervalos periódicos no tempo.

O cristal de tempo é uma nova categoria de fases da matéria, ampliando a definição do que é uma fase. Todas as outras fases conhecidas, como água ou gelo, estão em equilíbrio térmico: seus átomos constituintes se acomodaram no estado com a energia mais baixa permitida pela temperatura ambiente e suas propriedades não mudam com o tempo. O cristal de tempo é a primeira fase “fora de equilíbrio”: ele tem ordem e estabilidade perfeita apesar de estar em um estado de excitação e evolução.

“Este é apenas este espaço completamente novo e empolgante em que estamos trabalhando agora”, disse Vedika Khemani , uma física da matéria condensada agora em Stanford que co-descobriu a nova fase enquanto era estudante de graduação e foi coautora do novo artigo com a equipe do Google.

Khemani, Moessner, Shivaji Sondhi de Princeton e Achilleas Lazarides da Loughborough University no Reino Unido descobriram a possibilidade da fase e descreveram suas propriedades principais em 2015; um grupo rival de físicos liderado por Chetan Nayak da Microsoft Station Q e da Universidade da Califórnia, Santa Bárbara identificou-o como um cristal do tempo logo depois.

Os pesquisadores correram para criar um cristal de tempo nos últimos cinco anos, mas demos anteriores, embora bem-sucedidos em seus próprios termos, não conseguiram satisfazer todos os critérios necessários para estabelecer a existência do cristal de tempo. “Há boas razões para pensar que nenhum desses experimentos foi totalmente bem-sucedido, e um computador quântico como o [do Google] estaria particularmente bem posicionado para fazer muito melhor do que os experimentos anteriores”, disse John Chalker , físico da matéria condensada da Universidade de Oxford que não estava envolvido no novo trabalho.

O criostato costumava conter os processadores quânticos do Google. Google

A equipe de computação quântica do Google ganhou as manchetes em 2019, quando realizou a primeira computação que os computadores comuns não eram capazes de fazer em um período de tempo prático. No entanto, essa tarefa foi planejada para mostrar uma aceleração e não era de interesse inerente. A nova demonstração do cristal de tempo marca uma das primeiras vezes que um computador quântico encontrou um emprego lucrativo.

“É um uso fantástico do processador [do Google]”, disse Nayak.

Com a pré-impressão de ontem, que foi enviada para publicação, e outros resultados recentes , os pesquisadores cumpriram a esperança original para os computadores quânticos. Em seu artigo de 1982 propondo os dispositivos, o físico Richard Feynman argumentou que eles poderiam ser usados ​​para simular as partículas de qualquer sistema quântico imaginável.

Um cristal de tempo exemplifica essa visão. É um objeto quântico que a própria natureza provavelmente nunca cria, dada sua complexa combinação de ingredientes delicados. As imaginações conjuraram a receita, movidas pelas leis mais desconcertantes da natureza.


Uma ideia impossível, ressuscitada


A noção original de um cristal de tempo tinha uma falha fatal.

O físico ganhador do Prêmio Nobel Frank Wilczek concebeu a ideia em 2012, enquanto dava uma aula sobre cristais comuns (espaciais). “Se você pensar em cristais no espaço, é muito natural também pensar na classificação do comportamento cristalino no tempo”, disse ele a esta revista pouco depois.

Considere um diamante, uma fase cristalina de um aglomerado de átomos de carbono. A aglomeração é governada pelas mesmas equações em todo o espaço, mas assume uma forma que tem variações espaciais periódicas, com átomos posicionados em pontos de rede. Os físicos dizem que "quebra espontaneamente a simetria da tradução espacial". Apenas os estados de equilíbrio de energia mínima quebram espontaneamente as simetrias espaciais dessa maneira.

Wilczek imaginou um objeto de várias partes em equilíbrio, muito parecido com um diamante. Mas este objeto quebra a simetria da tradução no tempo: ele sofre um movimento periódico, retornando à sua configuração inicial em intervalos regulares.


O cristal de tempo proposto por Wilczek era profundamente diferente de, digamos, um relógio de parede - um objeto que também sofre movimento periódico. Os ponteiros do relógio queimam energia e param quando a bateria acaba. Um cristal de tempo Wilczekiano não requer entrada e continua indefinidamente, uma vez que o sistema está em seu estado de equilíbrio ultra-estável.

Se parece implausível, é: depois de muita emoção e controvérsia, uma prova de 2014 mostrou que a prescrição de Wilczek falha, como todas as outras máquinas de movimento perpétuo concebidas ao longo da história.

Naquele ano, os pesquisadores de Princeton estavam pensando em outra coisa. Khemani e seu orientador de doutorado, Sondhi, estavam estudando a localização de muitos corpos, uma extensão da localização de Anderson, a descoberta ganhadora do Prêmio Nobel de 1958 de que um elétron pode ficar preso no lugar, como se em uma fenda em uma paisagem acidentada.

Um elétron é mais bem representado como uma onda, cuja altura em diferentes lugares dá a probabilidade de detectar a partícula ali. A onda se espalha naturalmente com o tempo. Mas Philip Anderson descobriu que a aleatoriedade - como a presença de defeitos aleatórios em uma estrutura de cristal - pode fazer com que a onda do elétron se rompa, interfere destrutivamente em si mesmo e se cancela em qualquer lugar, exceto em uma pequena região. A partícula se localiza.

As pessoas pensaram por décadas que as interações entre várias partículas destruiriam o efeito de interferência. Mas em 2005, três físicos das universidades de Princeton e Columbia mostraram que uma cadeia unidimensional de partículas quânticas pode experimentar a localização de muitos corpos; ou seja, todos eles ficam presos em um estado fixo. Esse fenômeno se tornaria o primeiro ingrediente do cristal do tempo.

Imagine uma fileira de partículas, cada uma com uma orientação magnética (ou “spin”) que aponta para cima, para baixo ou alguma probabilidade de ambas as direções. Imagine que os primeiros quatro giros apontam inicialmente para cima, para baixo, para baixo e para cima. Os spins irão flutuar mecanicamente quânticos e se alinhar rapidamente, se puderem. Mas a interferência aleatória entre eles pode fazer com que a fileira de partículas fique presa em sua configuração particular, incapaz de se reorganizar ou se estabelecer em equilíbrio térmico. Eles vão apontar para cima, para baixo, para baixo e para cima indefinidamente.

Sondhi e um colaborador descobriram que os sistemas localizados de muitos corpos podem exibir um tipo especial de ordem, que se tornaria o segundo ingrediente-chave de um cristal de tempo: se você girar todos os spins do sistema (subindo, descendo, subindo e descendo em nosso exemplo), você obtém outro estado estável localizado em muitos corpos.


No outono de 2014, Khemani se juntou a Sondhi em um período sabático no Instituto Max Planck em Dresden. Lá, Moessner e Lazarides se especializaram nos chamados sistemas Floquet: sistemas acionados periodicamente, como um cristal que está sendo estimulado com um laser de determinada freqüência. A intensidade do laser e, portanto, a força de seu efeito no sistema, varia periodicamente.

Moessner, Lazarides, Sondhi e Khemani estudaram o que acontece quando um sistema localizado de muitos corpos é periodicamente acionado dessa maneira. Eles descobriram em cálculos e simulações que quando você faz cócegas em uma cadeia localizada de giros com um laser de uma maneira particular, eles vão e voltam, movendo-se entre dois estados localizados de muitos corpos diferentes em um ciclo que se repete para sempre, sem absorver qualquer energia líquida do laser.

Eles chamaram sua descoberta de fase de vidro de spin pi (onde o ângulo pi significa uma virada de 180 graus). O grupo relatou o conceito dessa nova fase da matéria - a primeira fase de muitos corpos fora de equilíbrio já identificada - em uma pré-impressão de 2015 , mas as palavras “cristal do tempo” não apareceram em nenhum lugar dela. Os autores adicionaram o termo em uma versão atualizada , publicada na Physical Review Letters em junho de 2016, agradecendo a um revisor nos agradecimentos por fazer a conexão entre sua fase de vidro spin pi e cristais de tempo.

Outra coisa aconteceu entre o surgimento da pré-impressão e sua publicação: Nayak, que é um ex-aluno de graduação de Wilczek, e os colaboradores Dominic Else e Bela Bauer publicaram uma pré-impressão em março de 2016 propondo a existência de objetos chamados cristais de tempo Floquet. Eles citaram a fase de vidro giratório pi de Khemani e da empresa como exemplo.

Um cristal de tempo Floquet exibe o tipo de comportamento imaginado por Wilczek, mas apenas enquanto é periodicamente acionado por uma fonte de energia externa. Esse tipo de cristal de tempo contorna o fracasso da ideia original de Wilczek ao nunca professar estar em equilíbrio térmico. Por ser um sistema localizado de vários corpos, seus spins ou outras partes não conseguem se equilibrar; eles estão presos onde estão. Mas o sistema também não esquenta, apesar de ser bombeado por um laser ou outro driver. Em vez disso, ele alterna indefinidamente entre estados localizados.


O laser já terá quebrado a simetria entre todos os momentos no tempo para a linha de spins, impondo em vez disso “simetria de translação de tempo discreta” - isto é, condições idênticas somente após cada ciclo periódico do laser. Mas então, por meio de seus vaivéns, a linha de spins quebra ainda mais a discreta simetria de tradução no tempo imposta pelo laser, uma vez que seus próprios ciclos periódicos são múltiplos dos do laser.

Khemani e os co-autores caracterizaram essa fase em detalhes, mas o grupo de Nayak a expressou na linguagem do tempo, simetria e quebra espontânea de simetria - todos conceitos fundamentais da física. Além de oferecer uma terminologia mais sexy, eles forneceram novas facetas de compreensão e generalizaram ligeiramente a noção de um cristal de tempo Floquet além da fase de vidro de spin pi (observando que uma certa simetria não é necessária). Seu artigo foi publicado na Physical Review Letters em agosto de 2016, dois meses depois que Khemani e a empresa publicaram a descoberta teórica do primeiro exemplo da fase.

Ambos os grupos afirmam ter descoberto a ideia. Desde então, os pesquisadores rivais e outros correram para criar um cristal de tempo na realidade.


A plataforma perfeita


A tripulação de Nayak se juntou a Chris Monroe na Universidade de Maryland, que usa campos eletromagnéticos para capturar e controlar íons. No mês passado, o grupo relatou na Science que eles transformaram os íons aprisionados em um cristal de tempo aproximado, ou "pré-termal". Suas variações cíclicas (neste caso, íons saltando entre dois estados) são praticamente indistinguíveis das de um cristal de tempo genuíno. Mas, ao contrário de um diamante, esse cristal de tempo pré-termal não é para sempre; se o experimento durasse tempo suficiente, o sistema gradualmente se equilibraria e o comportamento cíclico seria interrompido.

Khemani, Sondhi, Moessner e colaboradores atrelaram seus vagões em outro lugar. Em 2019, o Google anunciou que seu computador quântico Sycamore havia concluído uma tarefa em 200 segundos que levaria um computador convencional 10.000 anos. (Outros pesquisadores descreveriam mais tarde uma maneira de acelerar muito o cálculo do computador comum.) Ao ler o documento de anúncio, Moessner disse, ele e seus colegas perceberam que “o processador Sycamore contém como seus blocos de construção fundamentais exatamente as coisas que precisamos perceber o cristal de tempo Floquet. ”

Por acaso, os desenvolvedores do Sycamore também estavam procurando algo para fazer com sua máquina, que é muito propensa a erros para executar a criptografia e algoritmos de busca projetados para computadores quânticos completos. Quando Khemani e seus colegas entraram em contato com Kostya Kechedzhi , um teórico do Google, ele e sua equipe rapidamente concordaram em colaborar no projeto do cristal do tempo. “Meu trabalho, não apenas com cristais de tempo discreto, mas outros projetos, é tentar usar nosso processador como uma ferramenta científica para estudar nova física ou química”, disse Kechedzhi.



Vídeo : Os computadores quânticos não são a próxima geração de supercomputadores - eles são algo totalmente diferente. Antes mesmo de começarmos a falar sobre suas aplicações potenciais, precisamos entender a física fundamental que impulsiona a teoria da computação quântica.


Os computadores quânticos consistem em “qubits” - partículas quânticas essencialmente controláveis, cada uma das quais pode manter dois estados possíveis, marcados 0 e 1, ao mesmo tempo. Quando os qubits interagem, eles podem fazer malabarismos coletivos com um número exponencial de possibilidades simultâneas, possibilitando vantagens de computação.

Os qubits do Google consistem em tiras de alumínio supercondutoras. Cada um tem dois estados de energia possíveis, que podem ser programados para representar spins apontando para cima ou para baixo. Para a demonstração, Kechedzhi e colaboradores usaram um chip com 20 qubits para servir como o cristal do tempo.

Talvez a principal vantagem da máquina sobre seus concorrentes seja sua capacidade de ajustar as forças das interações entre seus qubits. Essa capacidade de ajuste é a chave para o motivo pelo qual o sistema pode se tornar um cristal de tempo: os programadores podem randomizar as forças de interação dos qubits, e essa aleatoriedade cria uma interferência destrutiva entre eles que permite que a linha de giros atinja a localização de muitos corpos. Os qubits podem travar em um padrão definido de orientações em vez de alinhamento.

Os pesquisadores deram aos spins configurações iniciais arbitrárias, como: para cima, para baixo, para baixo, para cima e assim por diante. Bombear o sistema com microondas invertidas apontando spins para baixo e vice-versa. Executando dezenas de milhares de demos para cada configuração inicial e medindo os estados dos qubits após diferentes períodos de tempo em cada execução, os pesquisadores puderam observar que o sistema de spins estava oscilando entre dois estados localizados de muitos corpos.

A marca registrada de uma fase é a estabilidade extrema. O gelo permanece como gelo mesmo se a temperatura flutuar. Na verdade, os pesquisadores descobriram que os pulsos de micro-ondas só tinham que girar em algum ponto próximo a 180 graus, mas não exatamente tanto, para que os giros voltassem à sua orientação inicial exata após dois pulsos, como pequenos barcos se endireitando. Além disso, os spins nunca absorveram ou dissiparam a energia líquida do laser de microondas, deixando a desordem do sistema inalterada.

Em 5 de julho, uma equipe baseada na Universidade de Tecnologia de Delft, na Holanda, relatou que construiu um cristal de tempo Floquet não em um processador quântico, mas a partir dos spins nucleares de átomos de carbono em um diamante. O sistema Delft é menor e mais limitado do que o cristal de tempo realizado no processador quântico do Google.

Não está claro se um cristal de tempo Floquet pode ter uso prático. Mas sua estabilidade parece promissora para Moessner. “Algo que é tão estável quanto isso é incomum, e coisas especiais se tornam úteis”, disse ele.

Ou o estado pode ser meramente conceitualmente útil. É o primeiro e mais simples exemplo de uma fase fora de equilíbrio, mas os pesquisadores suspeitam que mais dessas fases são fisicamente possíveis.


Nayak argumenta que os cristais de tempo iluminam algo profundo sobre a natureza do tempo. Normalmente em física, disse ele, "por mais que você tente tratar [o tempo] como sendo apenas outra dimensão, é sempre uma espécie de outlier". Einstein fez a melhor tentativa de unificação, tecendo o espaço 3D junto com o tempo em um tecido quadridimensional: o espaço-tempo. Mas mesmo em sua teoria, o tempo unidirecional é único. Com os cristais de tempo, Nayak disse, "este é o primeiro caso que eu conheço em que de repente o tempo é apenas um da gangue".

Chalker argumenta, porém, que o tempo continua sendo um caso atípico. O cristal de tempo de Wilczek teria sido uma verdadeira unificação de tempo e espaço, disse ele. Os cristais espaciais estão em equilíbrio e, de forma relacionada, quebram a simetria de translação espacial contínua. A descoberta de que, no caso do tempo, apenas a simetria discreta da tradução do tempo pode ser quebrada pelos cristais do tempo coloca um novo ângulo na distinção entre tempo e espaço.

Essas discussões vão continuar, impulsionadas pela possibilidade de exploração em computadores quânticos. Os físicos da matéria condensada costumavam se preocupar com as fases do mundo natural. “O foco mudou de estudar o que a natureza nos dá”, disse Chalker, para sonhar com formas exóticas de matéria que a mecânica quântica permite.


Atualização: 30 de julho de 2021 Após a publicação deste artigo, Quanta soube que um grupo de pesquisa separado havia, em 5 de julho, postado uma pré-impressão alegando ter criado um cristal de tempo usando nove átomos de carbono em um diamante. Atualizamos o artigo para incluir este resultado.


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