Crean, por primera vez, un cristal de tiempo dentro de una computadora cuántica

Los cristales convencionales, como la sal, el cuarzo, los copos de nieve o los diamantes, tienen sus átomos ordenados en patrones muy estables y que se repiten una y otra vez en las tres dimensiones espaciales. En los cristales de tiempo, sin embargo, los átomos también se mueven siguiendo un patrón que se repite , aunque lo hace en el tiempo, y no en el espacio.

Seguir un patrón temporal (en vez de espacial) implica que los átomos de un cristal de tiempo nunca se acomodan en su estado fundamental, cosa que sí hacen los átomos de los cristales convencionales. Por lo general, cuando un material está en su estado fundamental (estado de mínima energía, también conocido como energía de punto cero de un sistema) su movimiento es imposible, porque eso requeriría un gasto de energía de la que ese sistema ya no dispone.

Por eso, los cristales «normales», como un rubí o un diamante , permanecen inmóviles, ya que están en equilibrio y en su estado fundamental. Pero los cristales de tiempo tienen, repetimos, una estructura que no se repite en el espacio, sino en el tiempo, y por lo tanto siguen oscilando incluso en su estado fundamental. Es decir, nunca alcanzan el equilibrio. Lo más perturbador es que esa oscilación cíclica y repetida tiene lugar una y otra vez sin necesidad de utilizar energía alguna.

En el año 2012, el Nobel de Física Frank Wilczek postuló que los «cristales de tiempo», lejos de ser un simple artificio matemático, podían existir en la realidad. La cuestión dio lugar a un animado debate entre los físicos ya que, en teoría, esas extravagantes estructuras cristalinas que se repiten en el tiempo, y no en el espacio, tendrían la capacidad del movimiento perpetuo, ya que se desplazarían continuamente en una órbita circular, incluso en su estado de mínima energía, o «estado fundamental». Y que se sepa, ningún objeto que se encuentre en ese estado dispone de suficiente energía para moverse lo más mínimo.

El propio Wilczek admite que esta idea de movimiento perpetuo parece violar las leyes de la termodinámica , pero que eso es solo porque los científicos que escribieron esas leyes hace mucho tiempo «no eran conscientes de todas las sutilezas que se abren en el mundo de la mecánica cuántica», en el que pueden existir sistemas sin fricción y otros fenómenos inusuales. Wilczek reconoce que «sufrió mucho» en los años posteriores a su hipótesis por las críticas de personas que pensaban que había caído en la trampa de describir una máquina de movimiento perpetuo.

Sin embargo, solo cuatro años más tarde, en 2016, un equipo de investigadores de la Universidad de California en Santa Bárbara y la Estación Q de Microsoft (Un laboratorio de investigación que el gigante tecnológico tiene junto al campus de esa misma Universidad) publicaba en Physical Review Letters la demostración de que, lejos de ser objetos meramente teóricos, los cristales de tiempo podrían existir realmente en la Naturaleza. Y apenas un año después, otros dos equipos de físicos, uno de la Universidad de Harvard y otro del Joint Quantum Institute de la Universidad de Maryland conseguían, por primera vez y de forma independiente, crear cristales de tiempo en sus laboratorios y confirmar así experimentalmente la existencia de esas extraordinarias estructuras. Sus logros se publicaron en Nature.

Y ahora, un equipo de investigadores de Google, la Universidad de Stanford y el MIT, entre otros, ha utilizado Sycamore, la computadora cuántica de Google, para crear el cristal de tiempo más acorde con la definición de Wilczek conseguido hasta el momento. El trabajo puede consultarse ya en el servidor de prepublicaciones arXiv.org.

Los investigadores utilizaron una serie de 20 qubits (bits cuánticos) dentro de Sycamore para representar una cadena de datos con patrones de giro aleatorios. Luego, estos valores se equilibraron utilizando una técnica llamada localización de muchos cuerpos, en la que la interferencia entre las partículas las congela en su lugar incluso cuando tienden a separarse debido al equilibrio térmico.De este modo, demostraron que los qubits en ese delicado estado revertían espontáneamente su giro al unísono para crear un nuevo patrón de datos para luego volver a su estado original, una y otra vez. Según el equipo, parte del procesador cuántico se había convertido en un cristal de tiempo.

Wilczek asegura que es bueno ver cómo su hipótesis cobra vida en este experimento. «Definitivamente -afirma- se trata de un hito en este campo. Y creo que además, de alguna manera, es también un hito para la computación cuántica. Creo que este es el primer problema razonablemente natural que una computadora cuántica ha ayudado a resolver».