Cristales de tiempo: qué son, por qué son tan revolucionarios y cómo los ordenadores cuánticos ya nos están ayudando a conseguirlos

En apenas nueve años los cristales de tiempo han pasado de la imposibilidad física a la realidad práctica. Y es sorprendente que se haya producido un cambio tan brusco en tan poco tiempo. Cuando el físico teórico estadounidense, y ganador del Premio Nobel de Física en 2004, Frank Wilczek propuso su formulación teórica en 2012 buena parte de la comunidad científica se llevó las manos a la cabeza. Y tenía motivos para hacerlo.

La «ocurrencia» de Wilczek era contraria a las leyes de la física, especialmente al segundo principio de la termodinámica. Esta ley fundamental establece que la entropía de un sistema termodinámico aislado siempre se incrementa con el transcurso del tiempo hasta alcanzar un estado de equilibrio termodinámico en el que la entropía es máxima.

Esta definición formal es poco intuitiva, en gran medida debido a que la palabra entropía aparece dos veces en ella. Explicar de forma rigurosa qué es la entropía solo complicaría aún más el artículo, pero, afortunadamente, podemos intuir este concepto de una manera sencilla siempre que, eso sí, aceptemos sacrificar un poco de rigor. La entropía suele formularse como el grado de desorden presente de forma natural en un sistema físico.

Cuando Frank Wilczek propuso la formulación teórica de los cristales de tiempo, en 2012, buena parte de la comunidad científica se llevó las manos a la cabeza

Esta descripción conlleva una simplificación excesiva, pero nos invita a explorar una consecuencia esencial del segundo principio de la termodinámica: la imposibilidad de revertir un fenómeno físico. Además, lo que proponía Wilczek también parecía atentar contra el primer principio de la termodinámica, o principio de conservación de la energía, que establece de forma fundamental que la energía ni se crea ni se destruye; se transforma.

No cabe duda de que los cristales de tiempo no empezaron con buen pie, pero actualmente, y en un giro inesperado de los acontecimientos, representan una línea de investigación extraordinariamente prometedora que mantiene enfrascados a muchos grupos de investigación, como el que dirige el físico español Pablo Hurtado en la Universidad de Granada.

Qué es un cristal de tiempo

Ante todo un cristal de tiempo es, sencillamente, un cristal, por lo que es una buena idea que comencemos repasando qué es este objeto desde un punto de vista fisicoquímico. Podemos definir un cristal como una estructura de la materia cuyos átomos se disponen de una manera homogénea y ordenada, dando forma a un patrón que se repite periódicamente a lo largo del espacio.

Son muy abundantes en la naturaleza; de hecho, las piedras preciosas, el azúcar y la sal son cristales, entre muchos otros objetos que se originan de una forma completamente natural. Sin embargo, desde un punto de vista fisicoquímico el vidrio no es un cristal debido a que, en realidad, es un objeto con una estructura atómica amorfa.

Fabricar un cristal de tiempo como los que proponía Wilczek requería encontrar la forma de romper de forma espontánea la simetría temporal

Durante una de sus clases en el MIT (Instituto Tecnológico de Massachusetts), a Frank Wilczek se le ocurrió que podría existir un tipo diferente de cristales cuya estructura atómica, en vez de repetirse en el espacio, se repitiese periódicamente a lo largo del tiempo. Es difícil imaginar algo así, y, como hemos visto en los primeros párrafos de este artículo, la comunidad científica acogió la idea con mucho recelo debido a que parecía contravenir las leyes de la física.

Además, fabricar un cristal de tiempo como los que proponía Wilczek requería encontrar la forma de romper de forma espontánea la simetría temporal, y en aquel momento este propósito parecía inabarcable. Un objeto estable y aislado de cualquier perturbación permanece inalterado a lo largo del tiempo, de ahí que preserve la simetría de traslación temporal. Sin embargo, un cristal de tiempo debería ser capaz simultáneamente de preservar su estabilidad y cambiar su estructura cristalina de forma periódica.

Ordenadorcuantico

El principio de funcionamiento de los ordenadores cuánticos los posiciona como una herramienta muy atractiva para simular y recrear cristales de tiempo. Los investigadores en computación cuántica buscan aplicaciones para estos equipos, y esta es una de las más prometedoras.

Esta idea tiene una implicación que resulta fácil intuir: si observamos el cristal de tiempo en distintos instantes deberíamos percibir que su estructura no es siempre la misma. Debería variar periódicamente, un comportamiento que inevitablemente nos lleva a identificarlo como un nuevo estado de la materia diferente a las fases sólida, líquida, gaseosa y plasmática. En determinadas condiciones también son posibles otros estados de la materia mucho más inusuales, como el Condensado de Bose-Einstein, pero en mayor o menor medida todos estamos familiarizados con estas cuatro fases.

A pesar del recelo inicial de la comunidad científica, algunos investigadores reflexionaron acerca de lo que proponía Wilczek y se dieron cuenta de que en determinadas condiciones muy improbables, pero posibles, algunos objetos teóricamente podían exhibir el comportamiento de un cristal de tiempo. Deberían ser capaces de cambiar su estructura con cierta periodicidad y recuperar su configuración inicial en intervalos regulares.

No cabe duda de que esta idea es muy exótica, pero tiene una implicación aún más extraña: esto solo es posible si esta transición de fase constante y eterna no requiere invertir energía. De alguna forma estaríamos ante un ideal imposible: una forma de máquina de movimiento perpetuo que se beneficia del principio de conservación de la energía, pero que viola claramente el segundo principio de la termodinámica, del que hemos hablado más arriba.

En 2017 se llevaron a cabo las primeras pruebas experimentales actuando sobre el espín de un sistema cuántico

Durante los últimos cinco años varios grupos de investigación, entre los que se encuentra el grupo en el que participa el físico español Pablo Hurtado, se están afanando para proponer estrategias que persiguen permitirnos construir un cristal de tiempo. Y los primeros resultados son muy prometedores. De hecho, ya hay sobre la mesa varias propuestas que han arrojado un resultado muy esperanzador en las simulaciones computacionales.

Pero esto no es todo. En 2017 se llevaron a cabo las primeras pruebas experimentales actuando sobre el espín de un sistema cuántico al someterlo a una fuerza externa que cambia de forma periódica a lo largo del tiempo. Es evidente que la física involucrada en la puesta a punto de cristales de tiempo está dando sus primeros pasos.

Queda mucho por hacer, y aún será necesario investigar mucho más, pero un artículo científico publicado hace solo unos días y en el que participan investigadores de Google y de las universidades estadounidenses de Princeton y Stanford, entre otras instituciones, nos invita a contemplar el futuro de los cristales de tiempo con un optimismo razonable.

Ordenadores cuánticos, nuestros aliados en la búsqueda de los cristales de tiempo

A principios del pasado mes de julio un grupo de investigadores dirigido por el físico estadounidense Joe Randall publicó un artículo científico muy prometedor. En él expone cómo ha utilizado una plataforma de simulación cuántica para describir la creación de un cristal de tiempo discreto actuando sobre el espín de las partículas de un diamante.

Según estos investigadores los ordenadores cuánticos son una herramienta excepcional a la hora de recrear cristales de tiempo

Y tan solo unos días después ha visto la luz otro artículo en el que un segundo grupo de investigación ha utilizado el ordenador cuántico de Google para recrear un cristal de tiempo que consigue evadir el segundo principio de la termodinámica. Según estos investigadores su estrategia describe un objeto capaz de cambiar de fase en intervalos regulares, rompiendo así la simetría temporal y sin invertir en el proceso la más mínima energía. En teoría estamos ante un cristal de tiempo en toda regla.

Según estos investigadores los ordenadores cuánticos son una herramienta excepcional a la hora de recrear cristales de tiempo porque su principio de funcionamiento les permite abordar este problema de una manera eficiente y natural. Lo que plantean es muy interesante debido a que nos coloca un paso más cerca de la obtención de un cristal de tiempo que cumpla todas las condiciones que establece la formulación teórica, y, además, representa una aplicación práctica en la que los ordenadores cuánticos parecen tener mucho que decir.

Googlesycamore

El procesador Sycamore con el que Google consiguió alcanzar la supremacía cuántica en 2019 tiene 54 cúbits. El chip de esta fotografía es el procesador Bristlecone, que tiene 72 cúbits.

Probablemente durante los próximos meses seremos testigos de más avances en esta área tan prometedora, y quizá se consolide definitivamente la idea de construir un cristal de tiempo en el interior de un procesador cuántico, como el Sycamore de Google, pero hay algo importante que aún no hemos explorado en este artículo: ¿para qué sirve en la práctica un cristal de tiempo?

Los investigadores que trabajan en el diseño de cristales de tiempo confían en poder utilizarlos para medir el tiempo y la distancia con una precisión extrema

Responder esta pregunta requiere que nos adentremos en el terreno de la especulación, pero los investigadores que trabajan en el diseño de cristales de tiempo confían en poder utilizarlos para medir el tiempo y la distancia con una precisión extrema. De ser así probablemente podrían ser utilizados para poner a punto GPS más precisos, equipos de telecomunicaciones más avanzados o sistemas de criptografía más robustos, entre otras aplicaciones.

Cabe incluso la posibilidad de que los cristales de tiempo nos ayuden a detectar las ondas gravitacionales con más precisión, y también que nos permitan entender un poco mejor qué sucede en el interior de los agujeros negros y cuáles son las propiedades del continuo espacio-tiempo que permea todo el universo. Aún no podemos dar por hecho nada de todo esto, y los investigadores lo reconocen con honestidad, pero no cabe duda de que estamos ante un área de investigación muy prometedora que quizá nos depare grandes sorpresas a medio plazo.

Imagen de portada | IBM Research

Imágenes | IBM Research | Google

Vía | Quanta Magazine

Más información | arXiv.org

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