Científicos crean un “cristal del tiempo”: una nueva fase de la materia

Los científicos dores han creado con éxito un «cristal de tiempo», una nueva fase de la materia, con la ayuda de una computadora cuántica, según un nuevo estudio publicado el martes en la revista revisada por pares Nature.

Un cristal de tiempo, propuesto por primera vez por el físico Frank Wilczek en 2012, es una fase de la materia que se repite en el tiempo, de forma similar a como se repite la estructura de un cristal regular en el espacio. Esto significa que las partículas del cristal cambian perpetuamente entre dos estados sin necesidad de aportar más energía y sin perderla.

Estos cristales son los primeros objetos que rompen lo que se conoce como «simetría de traslación temporal», una regla de la física que dice que un objeto estable permanecerá sin cambios a lo largo del tiempo. Los cristales de tiempo evitan esta regla, siendo a la vez estables y cambiantes.

Así, por ejemplo, el hielo, cuando es estable, seguirá siendo hielo y sólo cambiará cuando la temperatura u otro factor lo haga inestable. Un cristal de tiempo cambiaría incluso en su estado básico, actuando de forma diferente a todas las demás fases de la materia.

Pero los científicos aún tenían que averiguar cómo crear esta fase de la materia. Para ello recurrieron a un fenómeno llamado localización de muchos cuerpos.

La localización de muchos cuerpos se produce cuando una cadena unidimensional de partículas cuánticas queda atrapada en un estado fijo. Cada partícula de la cadena tiene una orientación magnética (conocida como «espín») que apunta hacia arriba, hacia abajo o una cierta probabilidad de ambas direcciones, según la revista Quanta.

Esto significa que si el sistema fuera pinchado con un láser, pasaría siempre por los dos estados sin absorber ni liberar energía del láser.

Khemani y Sondhi, junto con Achilleas Lazarides y Roderich Moessner, del Instituto Max Planck de Física de Sistemas Complejos, lograron encontrar un sistema de este tipo en el que los giros de las partículas cambian entre patrones que se repiten eternamente, con un periodo doble al del láser.

Este sistema es único porque se trata de un sistema de millones de cosas que oscilan entre dos estados, que sólo completan un ciclo cuando son pinchados dos veces por el láser, y lo hacen sin absorber ni liberar energía.

Un artículo publicado en la página web de Stanford subraya que, aunque esto pueda parecer una «máquina de movimiento perpetuo», que rompería las leyes de la física al permitir el movimiento perpetuo sin ninguna fuente de energía externa, no es así.

La entropía -una medida del desorden en el sistema- permanece estacionaria, no aumenta, pero tampoco disminuye, lo que significa que sigue encajando en la segunda ley de la termodinámica, que dictamina que el desorden no puede disminuir, pero permite que el desorden se mantenga en un nivel constante siempre que el proceso sea reversible.

Un ejemplo de proceso reversible es el de un gas que fluye a través de una tubería que está apretada en el centro. A medida que el flujo se desplaza por la parte estrecha de la tubería, su presión, temperatura y velocidad cambian, pero estos valores vuelven a sus condiciones originales después de entrar en la parte ensanchada de la tubería, lo que significa que el cambio de entropía es cero.

Aunque otros intentos se han acercado a la fabricación de un cristal de tiempo, el cristal descrito en el estudio publicado en Nature es el primero que cumple todos los requisitos necesarios para hacer un cristal de tiempo realmente infinito.

El acceso al hardware de computación cuántica Sycamore de Google fue lo que permitió a los investigadores realizar su avance.

Aunque el hardware todavía es imperfecto, lo que significa que el experimento seguía siendo limitado en tamaño y duración, los investigadores crearon una serie de protocolos que les permitieron evaluar la estabilidad del cristal de tiempo, incluyendo la ejecución de la simulación hacia adelante y hacia atrás en el tiempo y la ampliación del tamaño.

«Conseguimos utilizar la versatilidad del ordenador cuántico para ayudarnos a analizar sus propias limitaciones«, afirma Roderich Moessner, coautor del artículo y director del Instituto Max Planck de Física de Sistemas Complejos. «Esencialmente nos dijo cómo corregir sus propios errores, de modo que la huella digital del comportamiento ideal de tiempo-cristalino pudiera determinarse a partir de observaciones de tiempo finito».

Los investigadores utilizaron un chip con 20 qubits -partículas cuánticas controlables que mantienen dos estados posibles, 0 y 1, al mismo tiempo- fabricados con tiras de aluminio superconductoras, según la revista Quanta. Los estados se programaron para representar giros hacia arriba o hacia abajo.

Los programadores pudieron aleatorizar las fuerzas de interacción de los qubits, creando la interferencia necesaria para bloquear las partículas en un patrón fijo de espines en lugar de dejar que se alineen.

Los investigadores probaron un gran número de configuraciones iniciales para ver si todas ellas podían encerrarse en un patrón de espines eternamente oscilante que oscilara al doble del periodo de la punción, probando más de un millón de estados en una sola ejecución de la máquina.

También pudieron extrapolar las tendencias de los sistemas relativamente pequeños que podían crearse en el hardware de Sycamore a sistemas mucho más grandes. Los investigadores también pudieron demostrar que, salvo por la decoherencia en el propio procesador, no había un aumento de la entropía en el propio sistema simulado.

Todos estos hallazgos reforzaron sustancialmente el caso de la existencia de los cristales de tiempo, más de lo que pudieron los experimentos anteriores.

«Soy optimista en cuanto a que, con más y mejores qubits, nuestro enfoque puede convertirse en el método principal para estudiar la dinámica de no equilibrio», afirma Pedram Roushan, investigador de Google y autor principal del artículo.

«Creemos que el uso más interesante de los ordenadores cuánticos en este momento es como plataformas para la física cuántica fundamental«, dijo Matteo Ippoliti, becario postdoctoral en Stanford y coautor del trabajo. «Con las capacidades únicas de estos sistemas, existe la esperanza de que se pueda descubrir algún fenómeno nuevo que no se había predicho».

El sábado, otro equipo de QuTech, una colaboración entre la Universidad Tecnológica de Delft y la Organización Holandesa para la Investigación Científica Aplicada (TNO), publicó sus hallazgos sobre un cristal de tiempo que habían creado con un procesador cuántico y que duraba unos ocho segundos.

«Aunque un cristal de tiempo perfectamente aislado puede, en principio, vivir eternamente, cualquier implementación experimental real decaerá debido a las interacciones con el entorno», afirma Joe Randall en la web de QuTech. «Alargar aún más la vida útil es la siguiente frontera«.

El equipo de QuTech utilizó nueve bits cuánticos y los manipuló para fijar sus espines en un patrón de inversión periódica que se formó a partir de una variedad de estados iniciales diferentes.

El equipo se refirió a la investigación llevada a cabo en el ordenador cuántico Google Sycamore, y Tim Taminiau, investigador principal de QuTech, dijo que «es extremadamente emocionante que se produzcan múltiples avances experimentales simultáneamente».

«Todas estas plataformas diferentes se complementan entre sí. El experimento de Google utiliza dos veces más qubits, nuestro cristal de tiempo vive unas diez veces más», dijo Taminiau.

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