Observation of disorder-free localization using a (2+1)D lattice gauge theory on a quantum processor

En el mundo sólido de los materiales cotidianos, la electricidad y el calor suelen fluir libremente, como el agua a través de una tubería, hasta que algo bloquea su camino. Durante décadas, los físicos entendieron que si un material es perfectamente limpio y uniforme, la energía se distribuye de manera uniforme hasta que el sistema alcanza un estado tranquilo y predecible. Sin embargo, si el material es desordenado o irregular —lleno de impurezas aleatorias— la energía puede quedarse estancada, atrapada en su lugar, como si la tubería estuviera obstruida por escombros. Este fenómeno, conocido como localización, es una forma bien conocida de detener el flujo de energía. Durante mucho tiempo, los científicos creyeron que si las partículas de un sistema interactuaban entre sí, este efecto de atrapamiento eventualmente se rompería, permitiendo que la energía fluyera de nuevo sin importar cuán desordenado fuera el material. Pero teorías recientes sugirieron que, incluso en sistemas con interacción, el desorden podría mantener la energía cautiva durante tiempos increíblemente largos, creando un estado de la materia que se niega a establecerse.

Un equipo de investigadores de Google Quantum AI y sus colaboradores ha observado ahora un giro sorprendente a esta idea. Descubrieron que la energía puede quedar atrapada y no lograr expandirse, incluso cuando el sistema es perfectamente limpio y no contiene desorden alguno. Este descubrimiento, publicado en un estudio reciente, desafía la intuación de que la desorganización es necesaria para detener el flujo de energía. Al utilizar una potente computadora cuántica, el equipo simuló un tipo específico de red donde las partículas y las fuerzas interactúan de una manera altamente estructurada. Observaron qué sucedía cuando introducían un pequeño estallido de energía en el centro de esta red. En un sistema normal y limpio, esa energía se propagaría hacia afuera, extendiéndose por toda la red hasta distribuirse uniformemente. En cambio, descubrieron que, bajo ciertas condiciones, la energía permanecía estancada justo donde comenzó, negándose a difundirse.

El experimento tuvo lugar en un procesador cuántico superconductor, una máquina que utiliza circuitos diminutos para imitar el comportamiento de las partículas cuánticas. Los investigadores construyeron un modelo digital de una red (o lattice), que es esencialmente una cuadrícula de puntos conectados por líneas. En esta red, colocaron dos tipos de componentes: cúbits de "materia", que actúan como las partículas que transportan la energía, y cúbits de "calibre" (gauge), que actúan como las fuerzas que las conectan. El equipo preparó el sistema en un estado que parecía perfectamente uniforme y ordenado, sin variaciones aleatorias ni impurezas. Luego, crearon una pequeña perturbación en el medio de la red, similar a lanzar una piedra en un estanque tranquilo. En un sistema estándar y limpio, las ondas de esa piedra viajarían hacia afuera, bañando eventualmente toda la superficie.

Lo que los investigadores observaron fue diferente. Cuando prepararon el sistema de una manera específica que involucraba una superposición cuántica —un estado donde el sistema existe en muchas configuraciones posibles a la vez— la perturbación de energía no se propagó. En su lugar, permaneció localizada cerca del centro de la red. La energía se mantuvo atrapada y el sistema conservó la memoria de dónde comenzó la perturbación, incluso después de muchos ciclos de evolución. Este comportamiento, que los autores llaman localización sin desorden, ocurrió tanto en anillos unidimensionales como en redes bidimensionales. La clave de este fenómeno no fue la falta de orden, sino un tipo específico de orden que imita los efectos del desorden. Las simetrías internas del sistema crearon un fondo efectivo que actuó como un paisaje aleatorio, atrapando la energía sin que existiera un desorden real.

Para entender por qué sucedió esto, los investigadores observaron el sistema a través de un lente diferente. Se dieron cuenta de que el estado limpio y uniforme que crearon era, en realidad, una superposición de muchas configuraciones de "desorden" diferentes. En la mayoría de estas configuraciones ocultas, el potencial de fondo parecía desordenado e irregular, lo cual es conocido por atrapar la energía. Debido a que el sistema cuántico estaba explorando todas estas posibilidades simultáneamente, la energía quedó atrapada en la mayoría de ellas, lo que llevó a un efecto general donde la energía no podía moverse. Esto es distinto de un sistema donde simplemente se promedian muchos experimentos desordenados diferentes; aquí, el experimento único y limpio produjo naturalmente el efecto de atrapamiento debido a cómo se combinaron los estados cuánticos.

El equipo también midió cómo cambiaban las conexiones internas del sistema a lo largo del tiempo. Encontraron que la "entropía de entrelazamiento" del sistema —una medida de cuánto están vinculadas las partes de un sistema— crecía mucho más rápido en este estado atrapado sin desorden que en un sistema desordenado típico. Este fue un hallza crucial porque demostró que el estado atrapado era fundamentalmente diferente de los estados de "localización de muchos cuerpos" que los científicos han estudiado durante años. En esos sistemas desordenados tradicionales, las conexiones entre las partes crecen muy lentamente. En este nuevo estado sin desorden, las conexiones crecieron rápidamente, lo que sugiere un tipo de comportamiento cuántico único que no es totalmente fluido ni totalmente estancado en el sentido tradicional.

Los investigadores confirmaron estos hallazgos realizando el mismo experimento en una red bidimensional con 81 cúbits. Al igual que en el anillo unidimensional, la perturbación de energía permaneció localizada cuando el sistema se preparó en el estado de superposición, mientras que se propagó libremente cuando se preparó en un estado único y no superpuesto. Los resultados fueron consistentes en ambas dimensiones, lo que sugiere que este fenómeno es robusto y no solo un error fortuito de una configuración específica. El equipo también comparó sus datos experimentales con simulaciones por computadora, encontrando que el procesador cuántico real se comportaba en estrecho acuerdo con las predicciones teóricas, incluso a medida que el sistema se volvía más grande y complejo.

Este trabajo hace más que solo observar un nuevo estado de la materia; ofrece una nueva forma de estudiar el desorden mismo. Usualmente, para entender cómo se comporta un sistema desordenado, los científicos deben ejecutar miles de simulaciones con diferentes arreglos aleatorios de impurezas y luego promediar los resultados. Esto es computacionalmente costoso y difícil. Los investigadores demostraron que, mediante el uso de una superposición cuántica, podían muestrear efectivamente todas las configuraciones de desorden posibles en un solo experimento. Este enfoque podría acelerar significativamente el estudio de materiales complejos, permitiendo a los científicos explorar eventos raros y condiciones extremas que actualmente están fuera del alcance de las computadoras clásicas.

El estudio destaca una conexión profunda entre las simetrías de un sistema físico y la forma en que la energía se mueve a través de él. Demuestra que no se necesita un entorno desordenado y caótico para detener el flujo de energía; solo se necesita el tipo de orden cuántico adecuado. Esta visión podría ayudar a los físicos a diseñar nuevos materiales o dispositivos cuánticos que puedan proteger la información de la dispersión y la fuga, un requisito crítico para construir computadoras cuánticas estables. Al demostrar que la localización puede ocurrir sin desorden, los investigadores han abierto un nuevo capítulo en el estudio de cómo evolucionan los sistemas cuánticos, probando que la ausencia de caos a veces puede crear los mismos efectos que su presencia.