Eduardo Martínez de la FeInvestigadores de la Universidad de Stanford, de Google Quantum AI, del Instituto Max Planck de Física de Sistemas Complejos, y de la Universidad de Oxford, han creado un cristal de tiempo utilizando el hardware de computación cuántica Sycamore de Google.
Un cristal de tiempo es una nueva fase de la materia, predicha en 2012 por el Premio Nobel de Física, Frank Wilczek, cuya estructura atómica se repite, no solo a través del espacio, sino también a través del tiempo.
Los átomos de los sólidos cristalinos, como el diamante, están dispuestos de forma ordenada formando un patrón que se repite a lo largo del espacio que ocupan.
Los físicos llevan casi una década preguntándose si podrían existir también sólidos cristalinos cuya estructura atómica podría repetirse también a través del tiempo: han llamado a esta hipotética estructura cristales de tiempo.
Tema relacionado: El tiempo podría tener la estructura de un cristal
Paradoja cuántica
Si existiera, el cristal de tiempo debería ser capaz de conseguir algo paradójico: conservar la estabilidad atómica propia de los sólidos cristalinos, pero al mismo tiempo cambiar su estructura cristalina de forma periódica, recuperando su configuración inicial después de esta transformación.
Eso significaría que, mientras que los diamantes pueden ser eternos, porque conservan intacta su estructura atómica, los cristales de tiempo estarían cambiando eternamente, sin ningún aporte adicional de energía, como un reloj que funciona para siempre sin pilas.
Serían como una especie de máquina de movimiento perpetuo que se beneficia del principio de conservación de la energía, pero que viola a la vez el segundo principio de la termodinámica, según el cual la energía ni se crea ni se destruye: simplemente se transforma.
Cristal de tiempo cuántico
La nueva investigación ha constatado que esa sorprendente fase de la materia, diferente a las fases sólida, líquida, gaseosa y plasmática, realmente existe.
También que es diferente del condensado Condensado de Bose-Einstein, otro estado de la materia que se obtiene cuando determinados materiales alcanzan temperaturas cercanas al cero absoluto: en ese momento, sus átomos se convierten en una entidad única con propiedades cuánticas.
La confirmación de los cristales de tiempo se ha conseguido gracias a un ordenador cuántico, culminando así un largo proceso de investigaciones previas que han ido abriendo camino hasta el hallazgo conseguido ahora.
Por alguna razón, Wilczek llamó a esta fase que había imaginado cristal de tiempo cuántico: ha sido necesario recurrir al procesador Sycamore de Google, capaz de realizar en solo 200 segundos una tarea para la que el superordenador más rápido del mundo necesitaría 10.000 años, para confirmar su existencia.
Laboratorio cuántico
Para conseguirlo, los investigadores llevaron a cabo una serie de «experimentos» tratando a este ordenador cuántico como un laboratorio para probar si el cristal de tiempo propuesto cumplía con ciertos requisitos.
El resultado obtenido es el primero en verificar experimentalmente que una fase de la materia puede existir fuera del equilibrio térmico, destaca Physic World.
Esta revista destaca también que es la primera vez que todos los requisitos para una fase de desequilibrio de la materia se han verificado rigurosamente.
Hay otro resultado indirecto de esta investigación no menos relevante: que incluso los procesadores cuánticos de escala intermedia (NISQ), como Sycamore, tienen importantes implicaciones para nuestra comprensión de la física.
Nuevas oportunidades
Eso significa que esta investigación sienta las bases fundamentales para el uso de dispositivos NISQ en el estudio de los fenómenos de desequilibrio, según los científicos.
Los investigadores destacan al respecto en un comunicado que la importancia de su hallazgo radica, no solo en la creación de una nueva fase de la materia, sino también en la apertura de oportunidades para explorar nuevos regímenes en el campo de la física de la materia condensada, que estudia las características físicas macroscópicas de la materia.
Añaden que los resultados de Sycamore proporcionan un punto de referencia práctico para otros experimentos basados en procesadores cuánticos combinados con computación clásica.
Modelo para el futuro
Consideran que de momento solo han estudiado un pequeño rincón de la física posible, y que los procesadores cuánticos permiten que regímenes físicos completamente nuevos sean accesibles y relevantes. Añaden que su trabajo debería servir como modelo para estas exploraciones futuras.
Concluyen que la computación cuántica se configura como la plataforma necesaria para el desarrollo de la física fundamental, potencialmente capaz de descubrir fenómenos que incluso ni siquiera se han imaginado todavía.
La autora principal de esta investigación, Vedika Khemani, profesora asistente de física en la Universidad de Stanford, fue galardonada este año con el premio New Horizons in Physics de la Breakthrough Prize Foundation, «por su trabajo teórico pionero en la formulación de nuevas fases de materia cuántica que no está en equilibrio, incluidos los cristales de tiempo».
Después de haber comprobado la existencia de los cristales de tiempo, Khemani considera que «si bien gran parte de nuestra comprensión de la física de la materia condensada se basa en sistemas de equilibrio, estos nuevos dispositivos cuánticos nos brindan una ventana fascinante hacia nuevos regímenes de no equilibrio en la física de muchos cuerpos».
Referencia
Time-Crystalline Eigenstate Order on a Quantum Processor. Xiao Mi et al. Nature (2021). DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-021-04257-w
Foto superior: El chip Google Sycamore utilizado en la creación de un cristal de tiempo. (Crédito de la imagen: Google Quantum AI)
Si hay 7 Magnitudes también podría ser que haya 7 tipos de
estados de la materia.
El segundo principio de la termodinámica no dice que la energía ni se crea ni se destruye, como se afirma en el texto. Eso es el principio de conservación de la energía, como se cita correctamente justo antes. El segundo principio dice que no se puede conseguir un móvil perpetuo porque siempre hay energía que se degrada y se invierte en aumentar la entropía. Por eso el cristal de tiempo lo viola.