La mayoría de nosotros vimos los titulares en julio de 2021 sobre la creación por parte de Google de un cristal de tiempo en un ordenador cuántico y cómo esto podría ser posiblemente el mayor avance en la física hasta la fecha.

Algunos de nosotros realmente intentamos leer estas noticias. Por supuesto, eran realmente geniales con sus afirmaciones sobre la ruptura de las leyes de la termodinámica y la tecnología pendiente de impulso warp, al menos hasta que nos encontramos con palabras desconcertantes como qubits, eigenstate y periodicidad (enviándonos a la mayoría de nosotros de vuelta a Instagram).

Sin embargo, se trata de un material fascinante, pero la ciencia que lo sustenta es increíblemente avanzada y en gran medida todavía teórica. Tanto es así que muchos científicos no pueden entender del todo lo que hace que un cristal de tiempo funcione. A veces, sin embargo, cuando se desglosa un tema esotérico y se examina por segmentos, todo el concepto se va aclarando poco a poco. Así que vamos a intentarlo…

10 Un físico con un sueño y una frase pegadiza

Presentados por primera vez en 2012 por el premio Nobel Frank Wilczek, profesor de Física del MIT, los cristales de tiempo se propusieron como una fase teórica de la materia que mostraría periodicidad temporal. Los elementos con periodicidad tienen cualidades que se repiten a intervalos, y los cristales (pensemos en los copos de nieve) tienen patrones que se repiten en el mundo 3D, un ejemplo de periodicidad en el espacio. Wilczek teorizó que, mediante el uso de dispositivos de materia condensada capaces de observar cosas increíblemente pequeñas, podría detectar patrones en partículas que se repitieran igualmente en la dimensión del tiempo. (Llegados a este punto, la mayoría de la gente ya está confundida, así que si te sientes así, estás justo donde debes estar).

Cuando los líquidos se congelan, las moléculas de su interior se acercan unas a otras en una disposición estable conocida como su estado de menor energía. Así, las gotas de agua en el cielo se convierten en copos de nieve cuando baja la temperatura, las moléculas de hidrógeno y oxígeno se acercan y forman una estructura hexagonal y cristalina por razones que no se entienden del todo. Se trata de un ejemplo de ruptura espontánea de la simetría, un término que puede resultar confuso, ya que parte de la belleza del cristal de un copo de nieve es la simetría de los seis brazos o ramas que forman su estructura. ¿Cómo es posible entonces que se rompa la simetría? ¿Qué es lo que ocurre?

El agua tiene una cierta simetría en el sentido de que tiene el mismo aspecto y la misma sensación en todo momento; las moléculas están dispuestas de forma coherente. Pero cuando se forma un copo de nieve, su estructura molecular se siente obligada a romper esa simetría formando seis ramas a partir de un prisma central. Wilczek propuso que durante el estado de energía más bajo de un sistema mecánico cuántico, conocido como simetría traslacional del tiempo, también podría romperse en la generalmente intangible 4ª dimensión. Así, se produciría un cristal de tiempo observable, de forma similar a como los copos de nieve y otros cristales tridimensionales (cuarzo, diamantes, etc.) rompen la simetría traslacional espacial.

Si todo esto te parece una chorrada enrevesada, únete al club académico. A los colegas de Wilczek les costó entender el concepto en su totalidad. Desacreditaron su modelo de trabajo y, aunque su investigación inspiró nuevos debates, consideraron que estaba ladrando al lado equivocado de un árbol muy oscuro. Pero había algo en ese término -el cristal- que parecía animar muchas conversaciones universitarias. El nombre sonaba demasiado bien como para no repetirse en los comedores universitarios, junto con términos como «agujero negro», «materia oscura» y «Comic-Con». Este interés contribuyó a que la teoría de Wilczek siguiera siendo objeto de debate.[1]

Una buena campaña siempre empieza con un eslogan fuerte…

9 Establecer algunas reglas básicas

Durante los primeros cuatro años después de la publicación del artículo de Wilczek, no sólo se descartó su modelo de trabajo, sino que todo el concepto de los cristales de tiempo fue declarado absolutamente imposible por los investigadores de la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón de Grenoble (Francia) y de la Universidad de Tokio. Por supuesto, casi inmediatamente después de esas declaraciones negativas, otros investigadores empezaron a buscar excepciones a la regla establecida que pudieran funcionar después de todo.

El concepto de cristales de tiempo discreto se extendió por todo el mundo de la física cuántica, ya que la palabra «discreto» denota una forma distinta de simetría que rompe con el telón de fondo de una simetría continua. Los copos de nieve son, de nuevo, un buen ejemplo de ello. Al formarse en el aire frío, las delicadas ramas que crecen tienen una simetría propia, distinta por contraste a la suavidad del agua líquida.

Por lo tanto, se ha teorizado que los cristales de tiempo discreto tienen la capacidad de romper la simetría de traslación del tiempo, al menos cuando se les aplica un láser u otra fuerza motriz. Y tales partículas deberían alcanzar una periodicidad de espín propia que se repite en múltiplos de la periodicidad de esa fuerza motriz. ¿Suena confuso ya? Incluso para los compañeros físicos, esto resulta bastante confuso, hasta el punto de que hace que la física newtoniana parezca una lectura fácil. Así que, para entender mejor los cristales de tiempo discreto, había que establecer un par de reglas básicas:

El primer criterio establece que el cristal debe ser robusto, lo que significa básicamente que debe ser lo suficientemente fuerte como para mantener su estado actual a pesar de las fluctuaciones externas dentro de un rango específico -al igual que un cristal de copo de nieve permanece en su estado físico actual a pesar de los pequeños cambios de temperatura que puedan ocurrir por debajo de 0°C (32°F). Del mismo modo, un verdadero cristal del tiempo se mantiene en el desierto de las perturbaciones cuánticas.

La segunda regla exige que un cristal de tiempo discreto debe ser inmune a la energía térmica del impulso que induce su estado cuántico actual. Básicamente, no se permite que se caliente. La forma de hacerlo es a través de lo que se conoce como localización de muchos cuerpos, o MBL, que proporciona el suficiente desorden dentro del sistema para permitir la interferencia destructiva o el acto de las ondas opuestas que se cancelan entre sí. Esto evita que el cristal se caliente y pierda estabilidad.[2]

Así que… con el concepto de los cristales de tiempo significativamente renovado, era el momento de intentarlo de nuevo. Y había un montón de científicos dispuestos a aceptar el reto.

cristales del tiempo

8 Abordar los cristales del tiempo desde un ángulo diferente

En 2016, se realizaron dos experimentos muy importantes utilizando este nuevo concepto. En primer lugar, el Dr. Christopher Monroe, de la Universidad de Maryland, afirmó haber logrado crear el primer atisbo de un cristal de tiempo discreto. El equipo de Monroe atrapó una cadena de iones de iterbio-171 dentro de campos electromagnéticos de radiofrecuencia, manipulando y observando sus estados de espín mientras los golpeaban con láseres.

Esto hizo que oscilaran con un múltiplo entero de la periodicidad del impulso, una danza propia y una señal segura de que se había logrado un cristal de tiempo discreto. Una buena imagen de este fenómeno podría ser una porción de gelatina sacudiéndose con una frecuencia propia, a pesar de que se mueva el plato en sentido contrario. El cristal de tiempo desarrolló una oscilación subarmónica estable y robusta que se mantuvo incluso cuando se perturbó y pinchó de otra manera, hasta que su frecuencia se hizo demasiado fuerte para mantenerla, haciendo que se «fundiera» a nivel cuántico.

Ese mismo año, en Harvard, un equipo dirigido por el profesor Mikhail Lukin obtuvo resultados similares utilizando un diamante defectuoso con centros de vacantes de nitrógeno (una impureza común). Sin embargo, utilizaron un accionamiento por microondas en lugar de un láser para inducir los espines de los electrones acoplados. Los cristales de tiempo también se han definido teóricamente o se han detectado por observación en otros experimentos distintos. Los investigadores incluso han encontrado indicios de su presencia natural en los cristales de fosfato de monoamonio que suelen cultivar los niños en clase de ciencias.

Pero estos experimentos y conclusiones fueron recibidos con escepticismo a pesar de sus afirmaciones de éxito. Muchos científicos decidieron que necesitaban un método mejor para confirmar la existencia de los cristales de tiempo. Así, recurrieron a otra novedad en el campo de la física superior, la computación cuántica, para comprender mejor la ruptura de la simetría del tiempo.[3]

7 ¿Qué tiene de especial el tiempo?

Antes de poder comprender plenamente los cristales de tiempo o la fascinación que sienten los científicos por ellos, tenemos que entender lo esquiva e intangible que es la llamada 4ª dimensión, a pesar de que literalmente existimos y viajamos a través de ella en cada momento de nuestras vidas. Los físicos tienen dificultades para comprender el flujo del tiempo, tanto en sentido literal como figurado. Mientras los números de la pizarra cuadren, lo dan por sentado como cualquier otra persona. Sin embargo, muchos de ellos cuestionan que el tiempo sea una dimensión real, ya que ciertamente no actúa como las tres primeras. Una persona puede permanecer inmóvil en nuestro mundo tridimensional (al menos en relación con el suelo bajo sus pies), pero intente permanecer inmóvil en el tiempo. Mucha gente lo ha intentado; todos han fracasado.

Ya en el siglo IV, el filósofo Aristóteles se esforzó por comprender el tiempo. Tomó una nota sombría sobre el tema cuando escribió: «El tiempo desmenuza las cosas; todo envejece bajo el poder del tiempo y es olvidado por el lapso de tiempo». Este parece ser un comentario muy temprano sobre el tema de la entropía. Y trece siglos después, el físico/astrónomo Sir Isaac Newton teorizó que el «tiempo absoluto» sólo es evidente en las matemáticas. Lo que nosotros, como humanos, percibimos es el «tiempo relativo», medible por el movimiento de objetos como el sol o la luna.

Por supuesto, Albert Einstein popularizó el concepto de espacio-tiempo en su teoría de la relatividad, vinculando las tres dimensiones espaciales y el tiempo en un múltiple de cuatro dimensiones. También describió cómo la gravedad podía curvar el tiempo, una teoría que se mantiene como evidencia de nuestros satélites GPS. A una altitud de 20.200 kilómetros (10.900 millas náuticas), la gravedad es cuatro veces más débil. Por lo tanto, los relojes del espacio funcionan 45 microsegundos más rápido cada día que los relojes de la Tierra. Esto se compensa con otra ley de la relatividad que establece que los relojes que se mueven muy rápido van más lentos que los fijos, lo que hace que esos mismos relojes de los satélites vayan siete microsegundos más lentos. Si se tienen en cuenta ambos factores, cada día van unas 38 millonésimas de segundo más rápido que los relojes de aquí. Si no fuera por la compensación informática, esta pequeña disparidad provocaría un mal funcionamiento del GPS en sólo dos minutos.[4]

Muy bien, las matemáticas de la pizarra cuadran, y sabemos cómo utilizarlas, pero ¿cómo tocamos realmente el tiempo? ¿Cómo podemos apartarnos de él para examinarlo mejor? ¿Cómo podemos tocarlo o incluso sentirlo de otra manera que no sea a través de la fugaz y efímera sensación del «ahora»? Pues bien, en Stuttgart (Alemania), los científicos podrían haber captado en vídeo pruebas visuales del tiempo.

6 Atrapado en una cámara de juerga

El 2021 ha sido un año muy activo y emprendedor en el desarrollo de los cristales de tiempo. De hecho, en febrero, uno de ellos fue captado en vídeo en el Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes de Stuttgart. Un equipo de investigadores germano-polaco bombardeó una banda magnética con un campo de microondas para crear un cristal de tiempo oscilante del tamaño de un micrómetro a partir de magnones ordenados en una fila. Los magnones son cuasipartículas (si eso ayuda). Bailaron de un lado a otro con un ritmo perfecto, desapareciendo y reapareciendo en su propia coreografía cuántica.

El cristal también dio la bienvenida al club a otros magnones cuando se presentaron. Al unísono, saltaban de un lado a otro con una periodicidad precisa entre dos estados físicos distintos. La creación de este cristal temporal fue significativamente innovadora, y el vídeo, tomado con un microscopio de rayos X, es asombroso una vez que se sabe exactamente lo que se está viendo. El cristal también era único por su tamaño relativamente grande y porque existía a temperatura ambiente (y no en un entorno superenfriado). Su concepción también sugiere que los cristales de tiempo están más extendidos y son más robustos de lo que se pensaba inicialmente.

Pero esa no fue la única contribución al estudio de los cristales de tiempo de la Sociedad Max Planck en 2021. El director de su Instituto de Física de los Sistemas Complejos, el Dr. Roderich Moessner, formó parte del equipo de físicos universitarios que trabajaron con Google para construir el primer cristal de tiempo con un ordenador cuántico. Y la verdad es que no se podría encontrar un lugar más apropiado para cocinar uno de estos pequeños bichos cuánticos.

5 ¿Qué es exactamente un ordenador cuántico?

Mucha gente confunde la computación cuántica con los superordenadores, que en realidad no son más que ordenadores centrales con un rendimiento ultrapotente. Mientras que la computación clásica, o binaria, se basa en bits para almacenar información en valores de 0 o 1, los ordenadores cuánticos se basan en qubits (bits cuánticos). Éstos pueden representar los valores de 0, 1 o ambos simultáneamente en un estado llamado superposición, hasta que se determina un resultado. La interacción entre dos o más qubits se denomina entrelazamiento. Cuando la información se almacena en superposición, los cálculos se ejecutan exponencialmente más rápido por número de qubits.

Entonces, ¿de qué están hechos los qubits? Bueno… no se pueden comprar exactamente en Best Buy. El muy publicitado ordenador cuántico con procesador Sycamore de Google contenía 54 qubits transconductores (de los cuales sólo 53 eran funcionales) hechos de placas de aluminio de unas 100 micras de diámetro, el ancho de varios cabellos. Estamos hablando realmente de un procesamiento de información a escala infinitesimal. ¿Y qué aspecto tiene el artilugio en sí?

El Sycamore es un elaborado conjunto de luces y filamentos rodeados de hileras de cables trenzados, todo ello colgado boca abajo dentro de los confines de un criostato, ya que se necesitan temperaturas extremadamente bajas para que los qubits funcionen correctamente a nivel cuántico. Todo ello se encuentra dentro de una carcasa que se asemeja a una lata gigante, con controles y equipos periféricos que llenan una habitación entera. Como resultado, el Sycamore de Google nunca correrá el riesgo de ser confundido con uno de sus Chromebooks, mucho más totables.

No todos los ordenadores cuánticos se parecen, ya que muchas empresas diferentes los fabrican y se construyen con proyectos específicos en mente. Sin embargo, son capaces de una deducción asombrosamente rápida. En octubre de 2019, Google reclamó la «supremacía cuántica» sobre los superordenadores cuando su Sycamore resolvió un problema de números aleatorios en 3 minutos y 20 segundos, una hazaña que habría llevado al IBM Summit unos 10.000 años. En respuesta, IBM creó rápidamente un algoritmo que redujo significativamente la diferencia. Aun así, el Sycamore se llevó el premio. Pero cuidado con Google, porque IBM tiene previsto construir un ordenador cuántico con un chip Condor de 1121 qubits para 2023. Y ambas empresas tienen planes para construir procesadores con un millón de qubits para 2030, lo que haría que el Sycamore, con 54 qubits (1 roto), pareciera tan anticuado como una conexión a Internet por marcación.

¿Pero cómo piensan estas cosas? Los ordenadores cuánticos trabajan con posibilidades y probabilidades, mientras que la informática tradicional emplea transistores para realizar operaciones inflexibles. Imaginemos un enorme e intrincado laberinto entre el punto de partida A y el punto final B. La computación clásica acabaría navegando por el laberinto hasta el punto B con éxito por ensayo y error. Sin embargo, la computación cuántica estudiaría todas las posibilidades simultáneamente antes de dar con la respuesta correcta en mucho menos tiempo. Y está claro que es una forma de pensar más eficiente.

Pero aparte de competir con los ordenadores tradicionales e inspirar futuros proyectos de investigación, la computación cuántica no había hecho mucho para demostrar que era una parte necesaria de la investigación científica, al menos hasta que se empezó a hablar de utilizar el Sycamore de Google para crear un cristal del tiempo. Y Google estaba más que feliz de mostrar su maravilla cuántica una vez más.

4 Qubits con diamantes

Sin embargo, parece que el equipo de Google no fue realmente el primero en crear un cristal de tiempo utilizando qubits y un ordenador cuántico. Un instituto de los Países Bajos llamado QuTech anunció su éxito en marzo de 2021, utilizando giros nucleares en un diamante para demostrar su «nuevo estado de la materia.» Su cristal sólo existió durante unos ocho segundos antes de empezar a decaer por las interacciones del entorno. Sin embargo, en un sistema perfectamente aislado, podría haber girado a su antojo para siempre.

QuTech colaboró con Element Six, un proveedor industrial de diamantes artificiales, y con la Universidad de Berkeley para crear su bebé a partir de sólo nueve qubits. Aunque trabajaron independientemente del equipo de Google, ambos proyectos estuvieron activos simultáneamente. Su experimento fue también una buena representación de lo diversos e individuales que son los ordenadores cuánticos tanto en su diseño como en su implementación.[1]

3 Google se lanza a romper la simetría temporal

El éxito de Google en la creación de un cristal de tiempo discreto en el verano de 2021 fue mucho más publicitado que el experimento de QuTech porque, bueno… Google es Google, una mega-poderosa empresa tecnológica multinacional con un esquema de colores reconocible que todos vemos cada día. Pero el poder académico del dream team colaborador también tenía mucha influencia. Estamos hablando, para empezar, de científicos del Instituto Max Planck de Física de Sistemas Complejos, la Universidad de Stanford, la Universidad de Oxford y, por supuesto, el Laboratorio de Inteligencia Artificial Cuántica de Google, que está asociado con la NASA.

Esta colaboración traía consigo aspiraciones mixtas para su experimento, además de hacer un cristal del tiempo. Los físicos visitantes también estaban ansiosos por ver lo que el Sycamore de Google podía ofrecerles para futuros proyectos de investigación que exploren la física de la materia condensada, que es básicamente el estudio de las fuerzas electromagnéticas entre los átomos de los líquidos y los sólidos. Y Google estaba más que encantado de utilizar la naturaleza experimental de su ordenador cuántico más allá de los meros cálculos, ya que en realidad no habían hecho mucho con él aparte de presentarse a IBM dos años antes.

El cristal de tiempo del equipo, formado por 20 qubits, sólo existió durante ocho décimas de segundo. Sin embargo, durante ese tiempo, el ordenador observó más de un millón de estados cuánticos individuales de su creación, incluso haciéndolo avanzar y retroceder en el tiempo (algo fascinante en sí mismo), todo ello para asegurarse de que mostraba oscilaciones indefinidas en cada uno de ellos. Pero aunque el cristal parecía ser perfecto, su entorno no lo era. Y al igual que el inventado en QuTech, decaía debido a las interferencias. Sin embargo, mientras estaba activo, cumplía todos los criterios mencionados anteriormente para pasar el corte como un auténtico cristal de tiempo discreto.

Google, por supuesto, se llevó la mayor parte de los titulares y la atención de la prensa por crear una nueva fase de la materia. Los numerosos académicos que participaron en el proyecto estaban muy orgullosos de que sus nombres figuraran en el artículo, que apareció en el número del 30 de noviembre de la revista científica Nature. Más allá de eso, los equipos de Google y QuTech mostraron las posibilidades casi ilimitadas de explorar la física teórica un día de estos mediante una nueva generación de ordenadores cuánticos. Y estos ya han demostrado que son capaces de hacer algo más que calcular números y navegar por laberintos.[8]

2 Entonces… ¿hemos roto las leyes de la termodinámica o no?

Después de que el equipo de Google anunciara la creación de su tiempo, aparecieron titulares de noticias sensacionalistas, muchos de ellos declarando una ruptura de las leyes de la termodinámica y un avance en el movimiento perpetuo. Son afirmaciones monumentales que van en contra del concepto básico y empírico de la física. Y serían absolutamente asombrosas si fueran ciertas. Pero no lo son.

La primera y la segunda ley de la termodinámica están firmemente establecidas en la comunidad científica desde mediados del siglo XIX. La primera trata de la conservación de la energía, que no puede crearse ni destruirse en un sistema cerrado, ni uno tan pequeño como el nivel molecular ni tan grande como el propio universo. El segundo se refiere al concepto inevitable de entropía y advierte que la energía de un sistema cerrado acabará revirtiendo en un desorden uniforme.

Ambas leyes demuestran la imposibilidad de una máquina de movimiento perpetuo, ya que la energía utilizada para cargar el dispositivo se convertiría, como mínimo, en calor a través de la fricción. A menudo se piensa que los patrones orbitales de los planetas de nuestro sistema solar tienen movimiento perpetuo. Pero debido a una pérdida infinitesimal de energía a través de las ondas gravitacionales, en realidad se mueven lentamente en espiral hacia el sol. (Sin embargo, deberíamos consolarnos con el hecho de que es más probable que el sol explote en una estrella gigante roja y se expanda para encontrarse con nosotros mucho antes de que la Tierra descienda para encontrarse con él).

Los cristales de tiempo, sin embargo, parecen romper las leyes de la termodinámica al igual que rompen la simetría temporal-translacional, ya que pueden ciclar entre dos estados para siempre sin perder energía. Pero en realidad no existen en contra de ninguna ley física existente, a pesar de su novedad y singularidad. Por un lado, las leyes de la termodinámica no son realmente aplicables a nivel cuántico. En este caso, el sistema global, incluida la influencia del impulso, conserva la energía como debería, lo que convierte al propio cristal del tiempo en una especie de «laguna» individualizada. En otras palabras, los cristales de tiempo pueden suspender indefinidamente las leyes de la termodinámica sin llegar a romperlas. Y eso sí que parece una laguna jurídica.[9]

Pero las lagunas jurídicas suelen ser beneficiosas para quienes saben aprovecharlas. Por ejemplo, la gente suele dar saltos de alegría ante las lagunas fiscales que les ahorran dinero o las lagunas legales que les mantienen fuera de la cárcel. Entonces, ¿cómo podríamos aprovechar esta laguna cuántica que conocemos como cristales de tiempo?

1 ¿Qué podemos hacer con estas cosas?

La mala noticia sobre el aspecto del movimiento perpetuo de los cristales de tiempo es que probablemente sean inútiles, ya que los cristales están en su estado de tierra, el estado de menor energía posible. Sería como poner pilas gastadas en una linterna. Y al estar hechos de partículas en estado cuántico, no son el tipo de cristales que se pueden llevar al cuello. Tampoco son bonitos ni brillantes, y buena suerte incluso para ver uno en persona con la tecnología actual. Aunque en teoría pueden durar para siempre, recordemos que el cristal del tiempo de Google sólo duró ocho décimas de segundo.

Pero analicemos esto por un momento, ya que hay una gran diferencia entre ser eterno y ocho décimas de segundo. Técnicamente, el cristal de tiempo que creó Google era fuerte y robusto y, en teoría, habría seguido funcionando para siempre. Sin embargo, el propio chip de Sycamore era defectuoso y limitado, como lo son todos. Además, su cristal estaba hecho de qubits, que son vulnerables a la interferencia de su entorno, una condición llamada decoherencia. Los investigadores intentan mejorar la eficiencia de los ordenadores cuánticos aislando mejor los procesadores. Sorprendentemente, la respuesta a su problema podría estar en los propios cristales temporales…

Imagina un ordenador cuántico alimentado por cristales de tiempo, que existen y fluctúan sin quemar energía, por lo que no son víctimas de la entropía (un descenso aleatorio hacia el desorden) como el resto del maldito universo. Como ya se ha mencionado, los qubits que actualmente hacen funcionar los ordenadores cuánticos son frágiles y sufren fácilmente la decoherencia, que básicamente conduce a la entropía en su entrelazamiento. Sin embargo, el uso de cristales de tiempo altamente estables proporcionaría un entrelazamiento sin entropía. Imagínese la eficiencia de la próxima generación de computación cuántica basada en cristales de tiempo y, con una mayor previsibilidad, los misterios de nuestro universo que podrían descubrir. Imaginemos avances en la química para curar el cáncer, motores warp que nos propulsen a estrellas lejanas y fuentes de energía que no dependan de los combustibles fósiles.[10]

Imagina todo un nuevo mundo de computación, ¡y está llegando muy, muy pronto!

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