Los primeros cristales de tiempo ya están listos. Y es una buenísima noticia para los ordenadores cuánticos

Cuando Frank Wilczek, físico teórico estadounidense y ganador del Premio Nobel de Física en 2004, propuso la formulación teórica de los cristales de tiempo muchos de sus colegas de profesión se llevaron las manos a la cabeza. La idea que sugería parecía entrar en conflicto tanto con el principio de conservación de la energía como con el segundo principio de la termodinámica, por lo que no podía ser posible.

El principio de conservación de la energía, o primer principio de la termodinámica, establece de forma fundamental que la energía ni se crea ni se destruye; se transforma. Y el segundo principio de la termodinámica defiende 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 es máxima.

Definir qué es la entropía de una manera formal y rigurosa complicaría excesivamente este artículo, pero podemos intuir con cierta precisión de qué se trata si la observamos como el grado de desorden presente de forma natural en un sistema físico. Además, el segundo principio de la termodinámica tiene una consecuencia muy importante: no se puede revertir un fenómeno físico.

Qué es un cristal de tiempo y por qué parece un objeto imposible (pero no lo es)

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.

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.

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.

Los primeros cristales de tiempo ya están listos (y son muy prometedores)

A pesar de todas las objeciones que las leyes de la física con las que estamos familiarizados ponen a la existencia de los cristales de tiempo el grupo de investigación de la Universidad de Lancaster, en Reino Unido, liderado por el físico Samuli Autti ha conseguido poner a punto los primeros. Según este científico su punto de partida ha sido la idea que defiende que «en el ámbito de la física cuántica el movimiento perpetuo es factible, y una vez que hemos encajado esta idea los cristales de tiempo son posibles».

En el artículo que este grupo de investigación ha publicado en Nature Communications explica que sus cristales de tiempo están constituidos por magnones. Y lo curioso es que estos elementos no son partículas; son cuasipartículas de espín 1 capaces de transportar energía y momento en un cristal. Esta definición es complicada, pero podemos formarnos una idea aproximada acerca de qué es un magnón si lo identificamos como el resultado de la excitación simultánea del espín de un conjunto de electrones.

Esta explicación de Francis Villatoro nos ayuda a afianzar un poco mejor esta idea: «Podemos decir que un magnón es el equivalente cuántico a una onda de espines, igual que un fonón es el equivalente cuántico a una onda elástica en un sólido». La estrategia que estos físicos han ideado para recrear los magnones consiste en enfriar helio-3, que es un isótopo estable del helio, hasta conseguir que adquiera una temperatura muy cercana al cero absoluto (-273,15 grados Celsius).

En estas condiciones el helio-3 adquiere las propiedades de un superfluido y propicia la aparición espontánea de los cristales de tiempo, de modo que cada uno de ellos está constituido por un billón de magnones. Y se trata de un billón de los nuestros, no de los anglosajones. En su artículo Autti y sus colegas de investigación aseguran que los cristales de tiempo que han recreado exhiben las mismas propiedades formuladas teóricamente por Frank Wilczek, por lo que no cabe duda de que estamos ante un hito muy importante. Y es relevante debido al alcance que en teoría tienen sus posibles aplicaciones.

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. Pero esto no es todo. Además, el equipo de investigadores liderado por Autti defiende que los cristales de tiempo pueden ayudarnos a procesar información cuántica debido a que es posible utilizarlos para fabricar cúbits de más calidad.

Estos científicos prevén que la puesta a punto de bits cuánticos empleando cristales de tiempo los dotará de una mayor coherencia, entendiendo esta propiedad como su capacidad de prolongar en el tiempo el estado en el que el hardware cuántico preserva las características que le permiten aventajar a los ordenadores clásicos durante la ejecución de algunos algoritmos. Y es que cuando aparece la decoherencia cuántica desaparecen los efectos cuánticos, y con ellos se esfuman también las ventajas que acarrean en el contexto de la computación cuántica.

Además, estos investigadores aseguran que los cristales de tiempo se pueden crear y manipular a temperatura ambiental, por lo que, en teoría, podrían permitir la puesta a punto de cúbits que, a diferencia de los superconductores, no tendrían que ser enfriados hasta que alcancen una temperatura cercana al cero absoluto. Todo lo que hemos visto en este artículo suena muy bien. Sorprendentemente bien.

Aun así, lo más prudente es que moderemos nuestras expectativas debido a que para que sea posible utilizar los cristales de tiempo para fabricar cúbits es necesario resolver desafíos que todavía deben ser atajados por los científicos. No obstante, podemos ser razonablemente optimistas. Hace tan solo una década buena parte de la comunidad científica se opuso a la existencia de los cristales de tiempo, y ya los tenemos aquí. Crucemos los dedos para que las primeras aplicaciones prácticas estén listas muy pronto.

Imagen de portada: IBM

Más información: Nature Communications