Los cristales de tiempo son capaces de estabilizar los computadores cuánticos

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El vínculo que sostienen los computadores cuánticos y los cristales de tiempo es cada vez más fuerte.

Cuando el físico teórico estadounidense, y ganador del Premio Nobel de Física en 2004, Frank Wilczek propuso la formulación teórica de estos cristales en 2012 buena parte de la comunidad científica se llevó las manos a la cabeza.

La idea de Wilczek era contraria a las leyes de la física, especialmente al segundo principio de la termodinámica.

Esta ley fundamental establece que la entropía de un sistema termodinámico aislado siempre se incrementa con el transcurso del tiempo hasta alcanzar un estado de equilibrio en el que es máxima.

Explicar de forma rigurosa qué es la entropía solo complicaría aún más el artículo, pero podemos intuir este concepto de una manera sencilla siempre que, eso sí, aceptemos sacrificar un poco de rigor.

La entropía suele formularse como el grado de desorden presente de forma natural en un sistema físico.

Esta descripción conlleva una simplificación excesiva, pero nos invita a explorar una consecuencia esencial del segundo principio de la termodinámica:

La imposibilidad de revertir un fenómeno físico.

Además, lo que proponía Wilczek también parecía atentar contra el primer principio de la termodinámica, o principio de conservación de la energía, que establece de forma fundamental que la energía ni se crea ni se destruye; se transforma.

Ante todo un cristal de tiempo es, sencillamente, un cristal.

Y un cristal es una estructura de la materia cuyos átomos se disponen de una manera homogénea y ordenada, dando forma a un patrón que se repite periódicamente a lo largo del espacio.

Durante una de sus clases en el MIT (Instituto Tecnológico de Massachusetts), a Frank Wilczek se le ocurrió que podría existir un tipo diferente de cristales cuya estructura atómica, en vez de repetirse en el espacio, se repitiese periódicamente a lo largo del tiempo.

La comunidad científica acogió la idea con mucho recelo debido a que parecía contravenir las leyes de la física.

Además, fabricar un cristal de tiempo como los que proponía Wilczek requería encontrar la forma de romper de forma espontánea la simetría temporal, y en aquel momento este propósito parecía inabarcable.

Un objeto estable y aislado de cualquier perturbación permanece inalterado a lo largo del tiempo, de ahí que preserve la simetría de traslación temporal.

Afortunadamente el grupo de investigación de la Universidad de Lancaster, en Reino Unido, liderado por el físico Samuli Autti consiguió poner a punto el primero a mediados de 2022.

Explicó que sus cristales de tiempo están constituidos por magnones.

Y lo curioso es que estos elementos no son partículas; son cuasipartículas de espín 1 capaces de transportar energía y momento en un cristal.

Esta definición es complicada, pero podemos formarnos una idea aproximada acerca de qué es un magnón si lo identificamos como el resultado de la excitación simultánea del espín de un conjunto de electrones.

Esta explicación de Francis Villatoro nos ayuda a afianzar un poco mejor esta idea: «Podemos decir que un magnón es el equivalente cuántico a una onda de espines, igual que un fonón es el equivalente cuántico a una onda elástica en un sólido».

La estrategia que estos físicos han ideado para recrear los magnones consiste en enfriar helio-3, que es un isótopo estable del helio, hasta conseguir que adquiera una temperatura muy cercana al cero absoluto (-273,15 grados Celsius).

En estas condiciones el helio-3 adquiere las propiedades de un superfluido y propicia la aparición espontánea de los cristales de tiempo, de modo que cada uno de ellos está constituido por un billón de magnones.

En su artículo Autti y sus colegas de investigación aseguraron que los cristales de tiempo que habían recreado exhibían las mismas propiedades formuladas teóricamente por Frank Wilczek.

Y, lo que es si cabe más llamativo, proponían utilizarlos para medir el tiempo y la distancia con una precisión extrema.

De ser así probablemente podrían ser empleados para poner a punto GPS más precisos, equipos de telecomunicaciones más avanzados, sistemas de criptografía más robustos, e, incluso, para procesar información cuántica debido a que es posible utilizarlos para fabricar cúbits de más calidad.

Desde entonces otros grupos de investigación han seguido los pasos del equipo liderado por Autti y han puesto a punto sus propios cristales de tiempo.

Uno de ellos pertenece a la Universidad de la Academia China de Ciencias, y ha publicado un artículo científico en el que explica qué procedimiento ha seguido para incrementar la estabilidad del estado interno de un computador cuántico empleando, precisamente, un cristal de tiempo.

Las condiciones que son necesarias preservar para mantener el estado interno de los cúbits son tan exigentes que estas máquinas “olvidan” con cierta facilidad la información con la que trabajan.

Este fenómeno se conoce como decoherencia cuántica, y cuando aparece el computador cuántico pierde la ventaja que le dan los efectos cuánticos y pasa a comportarse como un computador clásico.

El equipo de científicos chinos liderado por Biao Huang ha conseguido poner a punto un método que le ha permitido emplear un cristal de tiempo para prolongar el lapso durante el que se mantiene el entrelazamiento cuántico entre los cúbits.

A medida que se incrementa el número de cúbits de un computador cuántico es más difícil preservar el entrelazamiento, por lo que este mecanismo de control tiene la capacidad de contribuir significativamente al escalado de las futuras máquinas cuánticas.

Esta es, curiosamente, la primera aplicación práctica de un cristal de tiempo.

Fuente: arXiv