Observación de los cristales de tiempo en un ordenador cuántico

Cuando se oyen las palabras “cristal del tiempo”, se podría perdonar que se imaginara algo fantástico como una bola de cristal mágica o un dispositivo para viajar en el tiempo. Pero los cristales del tiempo son muy reales, aunque se parecen un poco a la magia.

Aunque un cristal del tiempo comparte algunas de las propiedades atómicas de los cristales, por desgracia para los aficionados a la ciencia ficción y la fantasía, no se parecen en absoluto a un cristal que se pueda ver y tocar.

Los cristales de tiempo son en realidad una disposición única de partículas que están en movimiento perpetuo y repetitivo tanto en el tiempo como en el espacio. Y por primera vez en Australia, nuestro grupo de investigación ha podido observar un cristal de tiempo en acción, publicando nuestros resultados en Science Advances.

Los cristales de tiempo son importantes porque constituyen una nueva fase de la materia: en lugar de estar en equilibrio o en un estado estable, cambian constantemente de estado. Además, están muy cerca de desafiar las leyes de la física al estar en movimiento perpetuo.

También podrían ser la base para crear un nuevo dispositivo de memoria que complemente los futuros ordenadores cuánticos.

Los cristales sólidos, como la sal de roca y los diamantes, se definen por la forma en que sus átomos se disponen y repiten espacialmente. De hecho, casi todos los materiales sólidos son en cierto modo cristalinos.

Bajo la comparativa con estos “cristales espaciales” cotidianos, un cristal de tiempo es un sistema de partículas que se repiten en el tiempo y el espacio. Además, un cristal de tiempo cambia espontánea y perpetuamente entre dos configuraciones diferentes, de ida y vuelta.

Eso suena inofensivo, pero constituye casi una violación de las leyes de la física que, por otra parte, propone que la energía del movimiento siempre se disipará en un proceso en el que la entropía (una medida del desorden en un sistema) aumenta. Digo “casi”, porque no podemos extraer energía del movimiento perpetuo de los cristales de tiempo, por lo que no hay energía que se disipe.

Para entender mejor la extrañeza de esto, imagina que estás horneando y llenas la mitad de un recipiente con harina y la otra mitad con azúcar. Al mezclarlos, la entropía aumentará y provocará un desorden entre las sustancias, de modo que ya no tendrás harina y agua, sino una mezcla de ambas.

Ahora imagina lo imposible y que la entropía no aumenta. Por mucho que mezclaras las dos cosas te quedarías con toda la harina en un lado del bol y el azúcar en el otro.

Un cristal de tiempo es igual que un sistema en el que la harina y el azúcar no se mezclan, es decir, la entropía permanece estacionaria a lo largo del tiempo. Por eso los físicos de todo el mundo están entusiasmados con los cristales de tiempo.

Sin embargo, la construcción de un cristal de tiempo es complicada: hay que cumplir muchos requisitos.

Para evitar la termalización (el término técnico para la mezcla de harina y azúcar a medida que aumenta la entropía), los componentes individuales de un cristal de tiempo deben estar aislados del entorno; de lo contrario, las vibraciones térmicas siempre destruirían el sistema de cristal de tiempo.

Eso suena muy duro, pero ya hay máquinas cuyos componentes deben estar lo más aislados posible con la tecnología actual: los ordenadores cuánticos.

Aunque los cristales de tiempo se han observado antes utilizando diferentes técnicas, el año pasado un equipo de más de 100 personas de Google y varias universidades se convirtió en el primero en crear un cristal de tiempo utilizando un ordenador cuántico, publicando su logro en Nature en noviembre.

Se nos adelantaron con nuestro artículo que se publicará en marzo en Science Advances. Sin embargo, en contraste, pudimos observar nuestro cristal de tiempo en la Universidad de Melbourne con un equipo de investigación de dos.

Al igual que los cristales de tiempo, los ordenadores cuánticos utilizan sistemas únicos de partículas para crear un estado cuántico que puede utilizarse para procesar datos. Hasta ahora, diferentes empresas y organizaciones han construido varios prototipos, pero una técnica común utilizada para aislar el frágil estado cuántico es mantenerlo a una temperatura extremadamente baja.

IBM ofrece acceso gratuito en línea a secciones de su propio ordenador cuántico, pero para construir nuestro cristal de tiempo necesitábamos un acceso mayor, que pudimos conseguir a través del Quantum Hub de IBM en la Universidad de Melbourne.

Eso nos dio acceso a las secciones de mejor rendimiento (conocidas como particiones) del ordenador cuántico de IBM.

Convertir un ordenador cuántico en un cristal de tiempo satisface también todos los demás requisitos. Por ejemplo, se puede preparar el estado inicial del sistema. En lugar de harina y azúcar, un bit cuántico (qubits) de un ordenador cuántico puede, a efectos de cálculo, tomar los valores discretos “0” y “1”.

Las diferentes configuraciones de 0 y 1 son la base de cómo los bits de los ordenadores normales procesan la información, pero en los ordenadores cuánticos, el proceso se ve reforzado por el estado cuántico único de los qubits.

Aunque la simulación cuántica en el ordenador cuántico de IBM todavía tiene algo de “ruido” por las imperfecciones o interferencias -lo que refleja el hecho de que todos los ordenadores cuánticos actuales siguen siendo sólo prototipos-, pudimos observar un cristal de tiempo en el que la configuración de los qubits se repetía.

Este exótico sistema cuántico es fascinante por sí mismo, pero también hay una aplicación obvia para los cristales de tiempo.

Como la configuración se repite, el sistema nunca perderá su memoria. Es decir, nunca olvida este estado inicial. Esto significa que los cristales de tiempo podrían constituir un dispositivo de memoria cuántica perfecto.

Pero como nueva fase de la materia, también nos queda mucho por aprender sobre los cristales de tiempo, y cuanto más aprendamos, más útiles pueden llegar a ser. La aparición de los ordenadores cuánticos como medio para crear y estudiar los cristales de tiempo no hará sino acelerar nuestros conocimientos en esta nueva carrera cuántica.

[content-egg module=Youtube template=custom/simple]