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

La "ocurrencia" de Wilczek fue 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 aumenta con el paso del tiempo hasta alcanzar un estado de equilibrio termodinámico en el que la entropía es máxima.

Esta definición formal no es intuitiva, en gran parte porque la palabra entropía aparece dos veces en ella. Explicar la entropía de manera rigurosa solo complicaría aún más el artículo, pero afortunadamente, podemos intuir este concepto de una manera sencilla siempre y cuando, sí, estemos de acuerdo en sacrificar un poco de rigor. La entropía generalmente se formula como el grado de desorden naturalmente presente en un sistema físico.

Esta descripción es demasiado simplificada, 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 ir en contra del primer principio de la termodinámica, o el principio de conservación de la energía, que establece fundamentalmente que la energía no se crea ni se destruye; se convierte.

No cabe duda de que los cristales del tiempo no tuvieron un buen comienzo, pero en la actualidad, y en un giro inesperado de los acontecimientos, representan una línea de investigación extraordinariamente prometedora que mantiene comprometidos a muchos grupos de investigación, como el que lidera el El físico español Pablo Hurtado de la Universidad de Granada.

En primer lugar, un cristal de tiempo es simplemente un cristal, por lo que es una buena idea que comencemos revisando qué es este objeto desde un punto de vista fisicoquímico. Podemos definir un cristal como una estructura de materia cuyos átomos están dispuestos de forma homogénea y ordenada, dando forma a un patrón que se repite periódicamente por todo el 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 forma completamente natural. Sin embargo, desde un punto de vista fisicoquímico, el vidrio no es un cristal porque, 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 haber un tipo diferente de cristales cuya estructura atómica, en lugar de repetirse en el espacio, se repite periódicamente en el tiempo. Es difícil imaginar algo así y, como hemos visto en los primeros párrafos de este artículo, la comunidad científica acogió la idea con gran recelo porque parecía contradecir las leyes de la física.

Además, hacer un cristal de tiempo como los que propuso Wilczek requería encontrar una manera de romper espontáneamente la simetría temporal, y en ese momento este propósito parecía abrumador. Un objeto estable aislado de cualquier perturbación permanece sin cambios con el tiempo, por lo tanto, conserva la simetría de traslación temporal. Sin embargo, un cristal de tiempo debería poder preservar simultáneamente su estabilidad y cambiar su estructura cristalina periódicamente.

Esta idea tiene una implicación fácil de intuir: si observamos el cristal de tiempo en diferentes momentos, deberíamos percibir que su estructura no es siempre la misma. Debe variar periódicamente, comportamiento que inevitablemente nos lleva a identificarlo como un nuevo estado de la materia diferente a las fases sólida, líquida, gaseosa y plasmática. Bajo ciertas 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 conocemos estas cuatro fases.

A pesar de los recelos iniciales de la comunidad científica, algunos investigadores reflexionaron sobre lo que estaba proponiendo Wilczek y se dieron cuenta de que, bajo ciertas condiciones muy poco probables, pero posibles, algunos objetos podrían exhibir teóricamente el comportamiento de un cristal de tiempo. Deberían poder cambiar su estructura de forma regular y volver a su configuración inicial a intervalos regulares.

No hay 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 manera estaríamos ante un ideal imposible: una forma de máquina de movimiento perpetuo que se beneficia del principio de conservación de la energía, pero que claramente viola el segundo principio de la termodinámica, que hemos comentado anteriormente.

En 2017 se realizaron las primeras pruebas experimentales actuando sobre el espín de un sistema cuántico

Durante los últimos cinco años, varios grupos de investigación, incluido el grupo en el que participa el físico español Pablo Hurtado, se han estado esforzando por proponer estrategias que busquen permitirnos construir un cristal del tiempo. Y los primeros resultados son muy prometedores. De hecho, ya hay varias propuestas sobre la mesa que han arrojado resultados muy prometedores en simulaciones computacionales.

Pero esto no es todo. En 2017 se realizaron las primeras pruebas experimentales actuando sobre el espín de un sistema cuántico sometiéndolo a una fuerza externa que cambia periódicamente con el tiempo. Está claro que la física involucrada en la sintonización de cristales de tiempo está en su infancia.

Queda mucho por hacer, y aún será necesaria mucha más investigación, pero un artículo científico publicado hace apenas 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 del tiempo cristaliza con razonable optimismo.

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

Según estos investigadores, las computadoras cuánticas son una herramienta excepcional cuando se trata de recrear cristales de tiempo.

Y solo unos días después, otro artículo vio la luz en el que un segundo grupo de investigación utilizó la computadora cuántica de Google para recrear un cristal de tiempo que logra evadir el segundo principio de la termodinámica. Según estos investigadores, su estrategia describe un objeto capaz de cambiar de fase a intervalos regulares, rompiendo así la simetría temporal y sin invertir la menor energía en el proceso. En teoría, nos enfrentamos a un cristal 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 forma eficiente y natural. Lo que proponen es muy interesante porque nos acerca un paso más a la obtención de un cristal de tiempo que cumple con 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.

Probablemente en los próximos meses veremos más avances en esta área tan prometedora, y quizás la idea de construir un cristal de tiempo dentro de un procesador cuántico, como el Sycamore de Google, se consolide definitivamente, pero hay algo importante que se ha consolidado. aún no se ha establecido. Hemos explorado en este artículo: ¿para qué sirve un cristal de tiempo en la práctica?

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

Responder a esta pregunta requiere que entremos en el ámbito de la especulación, pero los investigadores que trabajan en el diseño de cristales de tiempo confían en que se pueden utilizar para medir el tiempo y la distancia con extrema precisión. Si es así, probablemente podrían usarse para ajustar GPS más precisos, equipos de telecomunicaciones más avanzados o sistemas de criptografía más robustos, entre otras aplicaciones.

Incluso es posible que los cristales de tiempo nos ayuden a detectar ondas gravitacionales con más precisión, y también que nos permitan comprender un poco mejor qué sucede dentro de los agujeros negros y cuáles son las propiedades del continuo espacio-tiempo que impregna todo el universo. Todavía no podemos dar por sentado nada de esto, y los investigadores lo reconocen honestamente, pero no hay duda de que estamos ante un área de investigación muy prometedora que puede deparar grandes sorpresas a medio plazo.

Imagen de portada | Investigación de IBM

Imágenes | IBM Research | Google

Más información | arXiv.org

Share Time Crystals: qué son, por qué son tan revolucionarios y cómo las computadoras cuánticas ya nos están ayudando a lograrlos

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