por Eduardo Martínez de la Fe
Un ordenador cuántico ha confirmado que existe un nuevo estado de la
materia llamado cristal de tiempo, una especie de máquina de movimiento
perpetuo que revoluciona la física fundamental y sugiere que puede haber nuevos
regímenes anómalos en la estructura atómica de muchos cuerpos.
Investigadores de la Universidad de Stanford, de Google Quantum AI, del
Instituto Max Planck de Física de Sistemas Complejos, y de la Universidad de
Oxford, han creado un cristal de tiempo utilizando el hardware de computación
cuántica Sycamore de Google.
Un cristal de tiempo es una nueva fase de la materia, predicha en 2012
por el Premio Nobel de Física, Frank Wilczek, cuya estructura atómica se
repite, no solo a través del espacio, sino también a través del tiempo.
Los átomos de los sólidos cristalinos, como el diamante, están
dispuestos de forma ordenada formando un patrón que se repite a lo largo del
espacio que ocupan.
Los físicos llevan casi una década preguntándose si podrían existir
también sólidos cristalinos cuya estructura atómica podría repetirse también a
través del tiempo: han llamado a esta hipotética estructura cristales
de tiempo.
Paradoja cuántica
Si existiera, el cristal de tiempo debería ser capaz de conseguir algo
paradójico: conservar la estabilidad atómica propia de los sólidos cristalinos,
pero al mismo tiempo cambiar su estructura cristalina de forma periódica,
recuperando su configuración inicial después de esta transformación.
Eso significaría que, mientras que los diamantes pueden ser eternos,
porque conservan intacta su estructura atómica, los cristales de tiempo
estarían cambiando eternamente, sin ningún aporte adicional de energía, como un
reloj que funciona para siempre sin pilas.
Serían como una especie de máquina de movimiento perpetuo que
se beneficia del principio de conservación de la energía, pero que viola a la
vez el segundo principio de la termodinámica, según el cual la
energía ni se crea ni se destruye: simplemente se transforma.
Cristal de tiempo cuántico
La nueva investigación ha constatado que esa sorprendente fase de la
materia, diferente a las fases sólida, líquida, gaseosa y plasmática, realmente
existe.
También que es diferente del condensado Condensado de Bose-Einstein,
otro estado de la materia que se obtiene cuando determinados materiales alcanzan
temperaturas cercanas al cero absoluto: en ese momento, sus átomos se
convierten en una entidad única con propiedades cuánticas.
La confirmación de los cristales de tiempo se ha conseguido gracias a un
ordenador cuántico, culminando así un largo proceso de investigaciones previas
que han ido abriendo camino hasta el hallazgo conseguido ahora.
Por alguna razón, Wilczek llamó a esta fase que había imaginado cristal de tiempo cuántico: ha sido necesario recurrir al
procesador Sycamore de Google, capaz de realizar en solo 200 segundos una tarea
para la que el superordenador más rápido del mundo necesitaría 10.000 años,
para confirmar su existencia.
Laboratorio cuántico
Para conseguirlo, los investigadores llevaron a cabo una serie de «experimentos»
tratando a este ordenador cuántico como un laboratorio para probar si el
cristal de tiempo propuesto cumplía con ciertos requisitos.
El resultado obtenido es el primero en verificar experimentalmente que
una fase de la materia puede existir fuera del equilibrio térmico, destaca Physic World.
Esta revista destaca también que es la primera vez que todos los
requisitos para una fase de desequilibrio de la materia se han verificado
rigurosamente.
Hay otro resultado indirecto de esta investigación no menos relevante:
que incluso los procesadores cuánticos de escala intermedia (NISQ), como
Sycamore, tienen importantes implicaciones para nuestra comprensión de la
física.
Nuevas oportunidades
Eso significa que esta investigación sienta las bases fundamentales para
el uso de dispositivos NISQ en el estudio de los fenómenos de desequilibrio,
según los científicos.
Los investigadores destacan al respecto en un comunicado que la importancia de su hallazgo radica, no
solo en la creación de una nueva fase de la materia, sino también en la
apertura de oportunidades para explorar nuevos regímenes en el campo de la
física de la materia condensada, que estudia las características físicas
macroscópicas de la materia.
Añaden que los resultados de Sycamore proporcionan un punto de referencia
práctico para otros experimentos basados en procesadores cuánticos combinados
con computación clásica.
Modelo para el futuro
Consideran que de momento solo han estudiado un pequeño rincón de la
física posible, y que los procesadores cuánticos permiten que regímenes físicos
completamente nuevos sean accesibles y relevantes. Añaden que su trabajo
debería servir como modelo para estas exploraciones futuras.
Concluyen que la computación cuántica se configura como la plataforma
necesaria para el desarrollo de la física fundamental, potencialmente capaz de
descubrir fenómenos que incluso ni siquiera se han imaginado todavía.
La autora principal de esta investigación, Vedika Khemani, profesora
asistente de física en la Universidad de Stanford, fue galardonada este año con
el premio New Horizons in Physics de la Breakthrough Prize Foundation, «por su
trabajo teórico pionero en la formulación de nuevas fases de materia cuántica
que no está en equilibrio, incluidos los cristales de tiempo».
Después de haber comprobado la existencia de los cristales de tiempo,
Khemani considera que «si bien gran parte de nuestra comprensión de la física
de la materia condensada se basa en sistemas de equilibrio, estos nuevos
dispositivos cuánticos nos brindan una ventana fascinante hacia nuevos
regímenes de no equilibrio en la física de muchos cuerpos».
Referencia
Time-Crystalline Eigenstate Order on a Quantum Processor. Xiao Mi et al. Nature (2021). DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-021-04257-w
(TENDENCIAS / 5-12-2021)
No hay comentarios:
Publicar un comentario