Físicos enlazan dos cristales de tiempo en un experimento aparentemente imposible

Física

Los físicos han creado un sistema de dos cristales de tiempo conectados, que son extraños sistemas cuánticos que están atrapados en un bucle sin fin al que no se aplican las leyes normales de la termodinámica. Al conectar dos cristales de tiempo, los físicos esperan usar la tecnología para construir eventualmente un nuevo tipo de computadora cuántica.

“Es un raro privilegio explorar una fase completamente nueva de la materia”, dijo Samuli Autti, científico principal del proyecto de la Universidad de Lancaster en el Reino Unido, a Live Science en un correo electrónico.

Del cristal al cristal del tiempo
Nos encontramos con cristales normales todo el tiempo en la vida cotidiana, desde el hielo en un cóctel hasta los diamantes en la joyería. Si bien los cristales son bonitos, para un físico representan una ruptura de las simetrías normales de la naturaleza.

Las leyes de la física son simétricas en el espacio. Eso significa que las ecuaciones fundamentales de la gravedad o el electromagnetismo o la mecánica cuántica se aplican por igual en todo el volumen del universo. También funcionan en cualquier dirección. Entonces, un experimento de laboratorio que se gira 90 grados debería producir los mismos resultados (si todo lo demás es igual, por supuesto).

Pero en un cristal, esta hermosa simetría se rompe. Las moléculas de un cristal se organizan en una dirección preferida, creando una estructura espacial repetitiva. En la jerga de los físicos, un cristal es un ejemplo perfecto de “ruptura de simetría espontánea”: las leyes fundamentales de la física siguen siendo simétricas, pero la disposición de las moléculas no lo es.

En 2012, el físico Frank Wilczek, del Instituto Tecnológico de Massachusetts, notó que las leyes de la física también tienen una simetría temporal. Eso significa que cualquier experimento repetido en un momento posterior debería producir el mismo resultado. Wilczek hizo una analogía con los cristales normales, pero en la dimensión del tiempo, llamando a esta simetría espontánea que atraviesa el tiempo un cristal del tiempo. Unos años más tarde, los físicos finalmente pudieron construir uno.

Secretos cuánticos
“Un cristal de tiempo sigue moviéndose y se repite periódicamente en el tiempo en ausencia de estímulo externo”, dijo Autti. Esto es posible porque el cristal del tiempo se encuentra en su estado de energía más bajo. Las reglas básicas de la mecánica cuántica impiden que el movimiento se quede completamente quieto, por lo que el cristal del tiempo permanece “atascado” en su ciclo interminable.

“Esto significa que son máquinas de movimiento perpetuo y, por lo tanto, imposibles”, comentó Autti.

Las leyes de la termodinámica sugieren que los sistemas en equilibrio tienden hacia una mayor entropía o desorden: una taza de café siempre se enfriará, un péndulo finalmente dejará de oscilar y una bola que rueda por el suelo finalmente se detiene. Pero un cristal del tiempo desafía eso, o simplemente lo ignora, porque las reglas de la termodinámica no parecen aplicarse a él. En cambio, los cristales de tiempo están sujetos a la mecánica cuántica, las reglas que gobiernan el zoológico de partículas subatómicas.

“En la física cuántica, una máquina de movimiento perpetuo está bien siempre que mantengamos los ojos cerrados, y solo debe comenzar a desacelerarse si observamos el movimiento”, dijo Autti, refiriéndose al hecho de que los exóticos estados mecánicos cuánticos requeridos por el tiempo los cristales no pueden seguir funcionando una vez que interactúan con su entorno (por ejemplo, si los observamos).

Esto implica que los físicos no pueden observar directamente los cristales de tiempo. En el momento en que intentan ver uno, las reglas cuánticas que les permiten existir se rompen y el cristal del tiempo se detiene. Y ese concepto se extiende más allá de la observación: cualquier interacción lo suficientemente fuerte con el entorno externo que rompa el estado cuántico del cristal del tiempo hará que deje de ser un cristal del tiempo.

Aquí es donde entró el equipo de Autti, tratando de encontrar una manera de interactuar con un cristal de tiempo cuántico a través de observaciones clásicas. En la escala más pequeña, reina la física cuántica. Pero los bichos, los gatos, los planetas y los agujeros negros se describen mejor con las reglas deterministas de la mecánica clásica.

“El continuo de la física cuántica a la física clásica sigue siendo poco conocido. Cómo uno se convierte en el otro es uno de los misterios más destacados de la física moderna. Los cristales de tiempo abarcan una parte de la interfaz entre los dos mundos. Tal vez podamos aprender a eliminar la interfaz estudiando los cristales de tiempo en detalle”, dijo Autti.

Magnones mágicos
En el nuevo estudio, Autti y su equipo utilizaron “magnones” para construir su cristal del tiempo. Los magnones son “cuasipartículas”, que emergen en el estado colectivo de un grupo de átomos. En este caso, el equipo de físicos tomó helio-3, un átomo de helio con dos protones pero solo un neutrón, y lo enfrió hasta una diezmilésima de grado por encima del cero absoluto. A esa temperatura, el helio-3 se transformó en un condensado de Bose-Einstein, donde todos los átomos comparten un estado cuántico común y trabajan en concierto entre sí.

En ese condensado, todos los espines de los electrones en el helio-3 se unieron y trabajaron juntos, generando ondas de energía magnética, los magnones. Estas olas chapoteaban de un lado a otro para siempre, convirtiéndolas en un cristal del tiempo.

El equipo de Autti tomó dos grupos de magnones, cada uno operando como su propio cristal del tiempo, y los acercó lo suficiente como para influirse mutuamente. El sistema combinado de magnones actuó como un cristal de tiempo con dos estados diferentes.

El equipo de Autti espera que sus experimentos puedan aclarar la relación entre la física cuántica y la clásica. Su objetivo es construir cristales de tiempo que interactúen con sus entornos sin que los estados cuánticos se desintegren, lo que permite que el cristal de tiempo siga funcionando mientras se usa para otra cosa. No significaría energía libre: el movimiento asociado con un cristal de tiempo no tiene energía cinética en el sentido habitual, pero podría usarse para la computación cuántica.

Tener dos estados es importante, porque esa es la base para el cálculo. En los sistemas informáticos clásicos, la unidad básica de información es un bit, que puede tomar un estado 0 o 1, mientras que en la computación cuántica, cada “qubit” puede estar en más de un lugar al mismo tiempo, lo que permite mucha más energía computacional.

“Esto podría significar que los cristales de tiempo se pueden usar como un bloque de construcción para dispositivos cuánticos que funcionan también fuera del laboratorio. En tal empresa, el sistema de dos niveles que hemos creado ahora sería un bloque de construcción básico”, dijo Autti.

Este trabajo está actualmente muy lejos de una computadora cuántica en funcionamiento, pero abre interesantes vías de investigación. Si los científicos pueden manipular el sistema de dos cristales de tiempo sin destruir sus estados cuánticos, potencialmente podrían construir sistemas más grandes de cristales de tiempo que sirvan como verdaderos dispositivos computacionales.

Fuente: Live Science.

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