Un grupo de físicos ha creado en laboratorio un nuevo estado de la materia, los llamados cristales temporales. Son estructuras que se repiten de forma periódica en el tiempo, mientras que los cristales normales se repiten en el espacio. Son objetos muy particulares, teorizados en los últimos años y explicados por las leyes de la mecánica cuántica. Ahora empiezan a realizarse las primeras pruebas experimentales.
En concreto, un equipo internacional de las universidades de Stanford (Estados Unidos), Oxford (Reino Unido) y el Instituto Max Planck (Alemania), junto con el Google Quantum AI Lab, reprodujo hace unos meses estas inusuales estructuras utilizando el procesador cuántico Sycamore de Google. Los resultados, publicados en ‘Nature’, podrían encontrar aplicaciones en los ordenadores cuánticos del futuro.
La hipótesis teórica de la existencia de los cristales temporales fue planteada en 2012 por el físico ganador del Premio Nobel Franck Wilczek, profesor del Instituto Tecnológico de Massachusetts de Boston (Estados Unidos). La primera reproducción en laboratorio tuvo lugar en 2017, descrita en ‘Nature’. En general, los cristales clásicos son estructuras sólidas, compuestas por átomos, moléculas o iones. Por definición, tienen una disposición geométrica definida y se repiten en las tres dimensiones espaciales. Son redes geométricas donde los átomos o moléculas se distribuyen de manera regular.
En el caso de los cristales temporales, en cambio, la regularidad se manifiesta y se despliega no en el espacio, sino en el tiempo. Son estructuras que cambian de manera constante a lo largo del tiempo, pero que siempre regresan a la configuración inicial. Son cadenas de átomos que pulsan en ausencia de energía, permaneciendo en movimiento sin requerir la acción de una fuerza externa.
Un nuevo estado de la materia
Por esta razón, los cristales temporales son muy estables y no se ven perturbados por tensiones externas. Justo su estabilidad es lo que los hace muy interesantes para el desarrollo de ordenadores cuánticos muy potentes. Según los teóricos que han descrito su existencia, se trata en todos los aspectos de una nueva fase de la materia. No son de hecho sólidos, ni líquidos, gases o cristales. Para entenderlo, debemos dar un paso atrás a la segunda ley de la termodinámica.
La ley establece que los sistemas tienden de forma natural hacia el equilibrio térmico, es decir, a estados menos útiles y más aleatorios. Si vertemos café en una taza de leche, en un principio se quedará en la parte superior del recipiente. Con el tiempo, sin embargo, se disolverá en el líquido, alcanzando un sistema de equilibrio y distribuyéndose de manera aleatoria. Los cristales temporales, en cambio, no pueden establecerse en un equilibrio térmico. En otras palabras, no degeneran en la aleatoriedad, sino que van y vienen entre dos configuraciones. Es un proceso que puede prolongarse hasta el infinito.
Por tanto, los cristales temporales, en teoría, si estuvieran aislados de manera perfecta, podrían funcionar indefinidamente. En la práctica, sin embargo, su obtención es muy compleja y su duración es muy corta. En un reciente experimento publicado en ‘Science’, los científicos lograron mantenerlos activos durante unos segundos. Los cristales temporales se obtuvieron utilizando cúbits, las unidades de información cuántica, dentro de un diamante.
Por su parte, también los científicos de Stanford, liderados por Vedika Khemani, y el equipo de Google transformaron un grupo de cúbits en un cristal temporal. Y demostraron que estas cadenas de cúbits tienen una simetría temporal (y no espacial, como los cristales clásicos) reproducida a lo largo del experimento.
Las aplicaciones de los cristales temporales
Los científicos pudieron replicar un ‘sistema mecánico cuántico‘ comparable a una cierta cantidad de monedas en una caja. De acuerdo con la segunda ley de la termodinámica, al agitar la caja, las monedas deberían haberse dispuesto al azar. La expectativa era encontrar alrededor de la mitad con la cara hacia arriba y la otra mitad en el lado de la cruz.
Sin embargo, gracias a Sycamore, los investigadores aplicaron una serie de operaciones cuánticas específicas capaces de cambiar el estado de los cúbits. Es decir, en nuestro ejemplo, las monedas. Y fue entonces cuando los cristales temporales desafiaron todas las expectativas. El sistema, tras un cierto número de operaciones, reveló una configuración de cúbit que no era aleatoria; en cambio, era bastante similar a la original.
Este tipo de sistema se repite en el tiempo y en ausencia de una intervención externa, sin suministro de energía. Los cristales temporales, comentó Khemani en ‘Nature’, son «un ejemplo evidente de un nuevo tipo de fase cuántica de la materia en desequilibrio”. La investigación sobre el tema está creciendo, como muestra la reciente publicación de otros estudios. Por ejemplo, en ‘Physical Review Letters’ y ‘Physical Review B’ el pasado 2021.
En el futuro, los cristales temporales podrían explotarse para diversas aplicaciones. Por ejemplo, para sensores de alta precisión. Las impurezas en los diamantes se utilizan en la actualidad para medir variaciones mínimas en la temperatura y el campo magnético. Sin embargo, este enfoque tiene límites físicos, ya que demasiadas impurezas destruirían el delicado sistema de medición. En un cristal temporal, en cambio, las interacciones sirven para aumentar la estabilidad del sistema. Por tanto, sería posible obtener una señal tan fuerte como para sondear de manera eficiente células vivas y materiales densos en átomos.
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