¿Qué es la simetría de inversión temporal y por qué se puede romper?

¿Qué quiere decir que se rompe la simetría de inversión temporal?

La simetría de inversión temporal es una especie de simetría abstracta de las ecuaciones que los físicos usamos para describir la naturaleza.

Si un sistema posee la simetría de inversión temporal, quiere decir que si de alguna forma se pudiera revertir la dirección del tiempo , su comportamiento sería el mismo que si el tiempo fuera hacia delante. Llevado a las matemáticas, implica que en nuestras ecuaciones reemplazamos el tiempo por su negativo. Si las leyes microscópicas de la física no cambian bajo esta transformación, decimos que el sistema posee «simetría de de inversión temporal», aunque no podamos hacerlo en la realidad.

Imagina filmar una escena y verla corriendo hacia atrás. Si no pudieras decir si la película está reproduciéndose hacia delante o hacia atrás, el proceso mostrado en la película sería simétrico bajo la inversión temporal. En nuestra vida cotidiana, esto parece muy fácil, pero en la escala microscópica no es tan claro. Pero hay algunos ejemplos evidentes: la colisión de dos bolas de billar es prácticamente igual marcha atrás que hacia delante, una onda de luz viajando hacia atrás parece igual a la que viaja hacia delante.

¿Y cómo se rompe la simetría?

La forma más fácil de romper la simetría de inversión temporal es introducir un campo magnético a las ecuaciones . Como un vórtice girando en el agua, los campos magnéticos tienen una «circulación», dado que surgen de corrientes eléctricas discurriendo por un circuito. El campo magnético define una dirección de rotación para partículas con carga eléctrica y por tanto para señales eléctricas. Esto es también lo que usamos en nuestra propuesta para romper la simetría de inversión temporal de las ecuaciones, y hacer que el circuito funcione como un «circulador».

-¿Cuál es la ventaja que ofrece un circulador? ¿Por qué es útil dirigir el flujo de señales de microoondas en una sola dirección?

Esto es importante en aplicaciones donde se generan débiles señales de microondas en una parte del aparato, se amplifican en otra parte y finalmente se miden en un tercer lugar. La forma más fácil de dirigir las señales por el experimento es recurrir a circuladores, donde las señales que entran en un puerto saldrán siempre por el siguiente puerto en una dirección bien definida. Por ejemplo: una señal que entre por el puerto A saldrá por el B, mientras que una que entre por el B saldrá por el C, y así sucesivamente.

¿Y esto tiene aplicaciones?

Las aplicaciones específicas que teníamos en mente estaban originalmente en el campo de los circuitos cuánticos superconductores para microondas, que se usan por ejemplo como potenciales «ladrillos básicos» para los futuros ordenadores cuánticos , y donde actualmente no hay circuladores de microondas prácticos. Esta falta es uno de los mayores callejones sin salida en el camino hacia conseguir aplicaciones prácticas en la tecnología cuántica de superconductores. Otras aplicaciones están relacionadas con grandes anchos de banda y comunicaciones de radiofrecuencias de alta sensibilidad, como las redes de móviles de nueva generación o el wifi .

¿Por qué estos circuitos superconductores son importantes para los ordenadores cuánticos?

Los ordenadores cuánticos estarán basados en unos «ladrillos básicos» que se llaman bits cuánticos o qubits , que forman las unidades de información (cuántica) –un ordenador normal no funcionaría si no se pudieran manipular los bits de información–. Manipular estos qubits es por tanto necesario para la computación cuántica, que tiene el potencial de ayudar a resolver problemas que hoy en día los ordenadores clásicos no pueden resolver.

Ahora se están investigando distintas arquitecturas para construir estos qubits. Una de las que va a la cabeza es la de los circuitos superconductores, apoyada por bastantes grandes compañías (por ejemplo Google, IBM o Intel) y en la que se han invertido grandes cantidades de dinero en los últimos años.

Estos circuitos superconductores trabajan normalmente en el régimen de las microondas, lo que quieren decir que son manipulados y medidos con luz de esta longitud de onda –de ahí la importancia, por tanto, de mejorar los circuitos cuánticos superconductores para microondas–.

Volviendo a su estudio, ¿cuál es el avance más importante que ha supuesto?

En nuestro artículo hemos proporcionado un detallado boceto teórico de un circulador integrado de microondas.

Este dispositivo sería increíblemente útil pero aún no se ha desarrollado, así que ha habido mucha atención por parte de investigadores de todo el mundo sobre cómo llevarlo a la práctica. En comparación con otras propuestas anteriores para un dispositivo así, nuestro boceto es totalmente pasivo, lo que quiere decir que no requiere de un circuito adicional de microondas o radio para funcionar. Además, preveemos que su rendimiento será superior al de las propuestas anteriores, al mismo tiempo que es fácil de fabricar y de integrar con otros dispositivos electrónicos superconductores.

¿En qué trabajará a continuación?

Estoy interesado en el campo de la tecnología cuántica, que yo defino con la pregunta de: «¿ Cómo puedo uasr la mecánica cuántica activamente para hacer cosas que ahora no puedo hacer o para hacerlas mejor de lo que es posible?». Los últimos trabajos en los que he participado junto a mis colegas de Australia – en la Universidad de Queensland– incluyen por ejemplo diodos para luz de microondas, que son dispositivos que permiten a la radiación de microondas pasar solo en una dirección pero que reflejan la que llega de la dirección opuesta.