Subscribe Us

CIENCIA. El 'cristal del tiempo' podría cambiar la física para siempre

 

El cristal de tiempo se creó dentro del chip Sycamore de Google, que se mantiene frío dentro de su criostato cuántico. (Imagen: Eric Lucero / Google, Inc.)

El cristal es capaz de alternar eternamente entre estados de la materia sin perder energía.

Los investigadores que trabajan en asociación con Google pueden haber utilizado la computadora cuántica del gigante tecnológico para crear una fase completamente nueva de la materia: un cristal de tiempo. 

Con la capacidad de recorrer para siempre entre dos estados sin perder energía, los cristales de tiempo esquivan una de las leyes más importantes de la física: la segunda ley de la termodinámica , que establece que el desorden o entropía de un sistema aislado siempre debe aumentar. Estos extraños cristales de tiempo permanecen estables, resistiendo cualquier disolución en el azar, a pesar de existir en un estado de flujo constante. 

Según un artículo de investigación publicado el 28 de julio en la base de datos de preimpresión arXiv , los científicos pudieron crear el cristal de tiempo durante aproximadamente 100 segundos usando qubits (la versión de computación cuántica del bit de computadora tradicional) dentro del núcleo del procesador cuántico Sycamore de Google. 

El procesador Sycamore de Google llamó la atención en 2019 cuando los científicos dijeron que habían logrado la "supremacía cuántica", llevando a cabo un cálculo que sería casi imposible de hacer en un plazo razonable utilizando una supercomputadora clásica. La imagen de arriba ofrece una vista de la complicada configuración requerida para mantener refrigerado a Sycamore. El procesador se instala en la base de un "refrigerador de dilución", un dispositivo que se puede enfriar a temperaturas extremadamente bajas, junto con filtros, amplificadores y cables que llegan hasta la temperatura ambiente. Los cables azules conectan el procesador enfriado a los racks de componentes electrónicos a temperatura ambiente que controlan y leen los qubits, las versiones cuánticas de los bits clásicos.


La existencia de esta extraña nueva fase de materia, y el ámbito completamente nuevo de los comportamientos físicos que revela, es increíblemente emocionante para los físicos, especialmente porque solo se predijo por primera vez que los cristales de tiempo existían hace apenas nueve años. Los cristales de tiempo son objetos fascinantes para los físicos porque esencialmente eluden la segunda ley de la termodinámica, una de las leyes más férreas de la física. Afirma que la entropía (una analogía aproximada de la cantidad de desorden en un sistema) siempre aumenta. Si desea hacer algo más ordenado, debe poner más energía en ello. 

Esta tendencia al crecimiento del desorden explica muchas cosas, como por qué es más fácil mezclar los ingredientes que separarlos de nuevo, o por qué los cables de los auriculares se enredan tanto en los bolsillos de los pantalones. También marca la flecha del tiempo, con el universo pasado siempre más ordenado que el presente; ver un video al revés, por ejemplo, probablemente le parecerá extraño principalmente porque está presenciando la inversión contraintuitiva de este flujo entrópico.

La segunda ley de la termodinámica dice que todos los sistemas evolucionan hacia un estado de mayor desorden, donde la energía se distribuye de manera uniforme en todo el sistema. (Imagen: Universal History Archive / Universal Images Group a través de Getty Images)

Los cristales de tiempo no siguen esta reglaEn lugar de acercarse lentamente al equilibrio térmico, "termalizarse" para que su energía o temperatura se distribuya por igual en todo el entorno, se quedan atrapados entre dos estados de energía por encima de ese estado de equilibrio, alternando entre ellos indefinidamente. 

Para explicar cuán profundamente inusual es este comportamiento, imaginemos una caja sellada llena de monedas antes de ser agitada un millón de veces. A medida que las monedas rebotan y rebotan entre sí, "se vuelven cada vez más caóticas, explorando todo tipo de configuraciones que pueden explorar" hasta que el temblor se detiene y la caja se abre para revelar las monedas de forma aleatoria, en una configuración, con aproximadamente la mitad de las monedas hacia arriba y la otra mitad hacia abajo. Podemos esperar ver este punto final aleatorio, mitad arriba, mitad abajo, independientemente de la forma en que coloquemos las monedas en la caja por primera vez.

Dentro de la "caja" del Sycamore de Google, podemos ver los qubits del procesador cuántico de forma muy similar a como lo haríamos con nuestras monedas. De la misma manera que las monedas pueden ser cara o cruz, los qubits pueden ser un 1 o un 0 (las dos posiciones posibles en un sistema de dos estados) o una mezcla extraña de las probabilidades de ambos estados llamada superposición. Lo extraño de los cristales de tiempo, es que ninguna cantidad de sacudidas o zapping de un estado a otro puede mover los qubits del cristal de tiempo al estado de energía más baja, que es una configuración aleatoria; solo pueden cambiarlo de su estado inicial a su segundo estado, y luego regresar de nuevo a su estado original. No termina pareciendo aleatorio, simplemente se atasca. Es como si recordara cómo se veía inicialmente, y repite ese patrón con el tiempo.

En este sentido, un cristal de tiempo es como un péndulo que nunca deja de oscilar. Pero, incluso si se aísla totalmente físicamente un péndulo del universo, para que no haya fricción ni resistencia del aire, eventualmente se detendrá. Y eso se debe a la segunda ley de la termodinámica. La energía comienza concentrada en el centro de masa del péndulo, pero hay todos estos grados internos de libertad, como las formas en que los átomos pueden vibrar dentro de la varilla, a los que eventualmente se transferirá energía.

De hecho, no hay forma de que un objeto a gran escala se comporte como un cristal de tiempo sin sonar absurdo, porque las únicas reglas que permiten que los cristales de tiempo existan son las espeluznantes y surrealistas reglas que gobiernan el mundo de lo muy pequeño: la mecánica cuántica . 

En el mundo cuántico, los objetos se comportan como partículas puntuales y pequeñas ondas al mismo tiempo, y la magnitud de estas ondas en cualquier región dada del espacio representa la probabilidad de encontrar una partícula en esa ubicación. Pero la aleatoriedad (como defectos aleatorios en la estructura de un cristal o una aleatoriedad programada en las fuerzas de interacción entre qubits) puede hacer que la onda de probabilidad de una partícula se cancele en todas partes excepto en una región muy pequeña. Enraizada en un lugar, incapaz de moverse, cambiar de estado o termalizarse con su entorno, la partícula se ubica y se "estanca".

Los investigadores utilizaron este proceso de localización como base de su experimento. Usando 20 tiras de aluminio superconductor para sus qubits, los científicos programaron cada una en uno de dos estados posibles. Luego, al disparar un haz de microondas sobre las tiras, pudieron conducir sus qubits para cambiar de estado; los investigadores repitieron el experimento durante decenas de miles de ejecuciones y se detuvieron en diferentes puntos para registrar los estados en los que se encontraban sus qubits. Lo que encontraron fue que su colección de qubits cambiaba de un lado a otro entre solo dos configuraciones, y los qubits no estaban absorbiendo el calor del rayo de microondas, habían hecho un cristal de tiempo.

También vieron una pista clave de que su cristal de tiempo era una fase de la materia. Para que algo se considere una fase, por lo general tiene que ser muy estable frente a las fluctuaciones. Los sólidos no se derretirán si las temperaturas a su alrededor varían levemente; tampoco las ligeras fluctuaciones harán que los líquidos se evaporen o congelen repentinamente. De la misma manera, si el rayo de microondas utilizado para cambiar los qubits entre estados se ajustaba para estar cerca pero ligeramente fuera de los 180 grados exactos necesarios para un cambio perfecto, los qubits aún cambiaron al otro estado.

Otro sello distintivo de pasar de una fase a otra es la ruptura de las simetrías físicas, la idea de que las leyes de la física son las mismas para un objeto en cualquier punto del tiempo o del espacio. Como líquido, las moléculas en el agua siguen las mismas leyes físicas en todos los puntos del espacio y en todas las direcciones, pero enfrían el agua lo suficiente como para que se transforme en hielo y sus moléculas tomarán puntos regulares a lo largo de una estructura cristalina, o rejilla, para acomodarse a través. De repente, las moléculas de agua tienen puntos preferidos en el espacio para ocupar, y dejan los otros puntos vacíos: la simetría espacial del agua se ha roto espontáneamente.

De la misma manera que el hielo se convierte en un cristal en el espacio al romperse con la simetría espacial, los cristales de tiempo se convierten en cristales en el tiempo al romperse con la simetría del tiempo. Al principio, antes de su transformación en la fase de cristal del tiempo, la fila de qubits experimentará una simetría continua entre todos los momentos en el tiempo. Pero el ciclo periódico del haz de microondas corta las condiciones constantes experimentadas por los qubits en paquetes discretos (lo que hace que la simetría impuesta por el haz sea una simetría discreta de traslación en el tiempo). Luego, al girar hacia adelante y hacia atrás al doble del período de la longitud de onda del haz, los qubits se rompen con la simetría de traslación de tiempo discreta impuesta por el láser. Son los primeros objetos que conocemos que pueden hacer esto.

Toda esta rareza hace que los cristales de tiempo sean ricos en nueva física, y el control que Sycamore proporciona a los investigadores más allá de otras configuraciones experimentales podría convertirlo en una plataforma ideal para una mayor investigación. Sin embargo, eso no quiere decir que no se pueda mejorar. Como todos los sistemas cuánticos, la computadora cuántica de Google debe estar perfectamente aislada de su entorno para evitar que sus qubits se sometan a un proceso llamado decoherencia, que finalmente rompe los efectos de localización cuántica, destruyendo el cristal de tiempo. Los investigadores están trabajando en formas de aislar mejor su procesador y mitigar el impacto de la decoherencia, pero es poco probable que eliminen el efecto para siempre.

A pesar de esto, es probable que el experimento de Google siga siendo la mejor forma de estudiar los cristales de tiempo en el futuro previsible. Aunque muchos otros proyectos han logrado hacer lo que de manera convincente parecen ser cristales de tiempo de otras formas (con diamantes, superfluidos de helio-3, cuasipartículas llamadas magnones y condensados ​​de Bose-Einstein) , en su mayor parte, los cristales producidos en estas configuraciones se disipan demasiado rápido para un estudio detallado.

La novedad teórica de los cristales es de alguna manera un arma de doble filo, ya que los físicos actualmente luchan por encontrar aplicaciones claras para ellos, por ejemplo, como sensores de alta precisión. Otras propuestas incluyen el uso de cristales para un mejor almacenamiento de memoria o para desarrollar computadoras cuánticas con un poder de procesamiento aún más rápido.

Pero en otro sentido, la mayor aplicación de los cristales de tiempo puede que ya esté aquí: permiten a los científicos explorar los límites de la mecánica cuántica.

Publicar un comentario

0 Comentarios