Los f\u00edsicos han creado un sistema de dos cristales de tiempo conectados, que son extra\u00f1os sistemas cu\u00e1nticos que est\u00e1n atrapados en un bucle sin fin al que no se aplican las leyes normales de la termodin\u00e1mica. Al conectar dos cristales de tiempo, los f\u00edsicos esperan usar la tecnolog\u00eda para construir eventualmente un nuevo tipo de computadora cu\u00e1ntica.<\/p>\n\n\n\n
“Es un raro privilegio explorar una fase completamente nueva de la materia”, dijo Samuli Autti, cient\u00edfico principal del proyecto de la Universidad de Lancaster en el Reino Unido, a Live Science en un correo electr\u00f3nico.<\/p>\n\n\n\n
Del cristal al cristal del tiempo Las leyes de la f\u00edsica son sim\u00e9tricas en el espacio. Eso significa que las ecuaciones fundamentales de la gravedad o el electromagnetismo o la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica se aplican por igual en todo el volumen del universo. Tambi\u00e9n funcionan en cualquier direcci\u00f3n. Entonces, un experimento de laboratorio que se gira 90 grados deber\u00eda producir los mismos resultados (si todo lo dem\u00e1s es igual, por supuesto).<\/p>\n\n\n\n Pero en un cristal, esta hermosa simetr\u00eda se rompe. Las mol\u00e9culas de un cristal se organizan en una direcci\u00f3n preferida, creando una estructura espacial repetitiva. En la jerga de los f\u00edsicos, un cristal es un ejemplo perfecto de “ruptura de simetr\u00eda espont\u00e1nea”: las leyes fundamentales de la f\u00edsica siguen siendo sim\u00e9tricas, pero la disposici\u00f3n de las mol\u00e9culas no lo es.<\/p>\n\n\n\n En 2012, el f\u00edsico Frank Wilczek, del Instituto Tecnol\u00f3gico de Massachusetts, not\u00f3 que las leyes de la f\u00edsica tambi\u00e9n tienen una simetr\u00eda temporal. Eso significa que cualquier experimento repetido en un momento posterior deber\u00eda producir el mismo resultado. Wilczek hizo una analog\u00eda con los cristales normales, pero en la dimensi\u00f3n del tiempo, llamando a esta simetr\u00eda espont\u00e1nea que atraviesa el tiempo un cristal del tiempo. Unos a\u00f1os m\u00e1s tarde, los f\u00edsicos finalmente pudieron construir uno.<\/p>\n\n\n\n Secretos cu\u00e1nticos “Esto significa que son m\u00e1quinas de movimiento perpetuo y, por lo tanto, imposibles”, coment\u00f3 Autti.<\/p>\n\n\n\n Las leyes de la termodin\u00e1mica sugieren que los sistemas en equilibrio tienden hacia una mayor entrop\u00eda o desorden: una taza de caf\u00e9 siempre se enfriar\u00e1, un p\u00e9ndulo finalmente dejar\u00e1 de oscilar y una bola que rueda por el suelo finalmente se detiene. Pero un cristal del tiempo desaf\u00eda eso, o simplemente lo ignora, porque las reglas de la termodin\u00e1mica no parecen aplicarse a \u00e9l. En cambio, los cristales de tiempo est\u00e1n sujetos a la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica, las reglas que gobiernan el zool\u00f3gico de part\u00edculas subat\u00f3micas.<\/p>\n\n\n\n “En la f\u00edsica cu\u00e1ntica, una m\u00e1quina de movimiento perpetuo est\u00e1 bien siempre que mantengamos los ojos cerrados, y solo debe comenzar a desacelerarse si observamos el movimiento”, dijo Autti, refiri\u00e9ndose al hecho de que los ex\u00f3ticos estados mec\u00e1nicos cu\u00e1nticos requeridos por el tiempo los cristales no pueden seguir funcionando una vez que interact\u00faan con su entorno (por ejemplo, si los observamos).<\/p>\n\n\n\n Esto implica que los f\u00edsicos no pueden observar directamente los cristales de tiempo. En el momento en que intentan ver uno, las reglas cu\u00e1nticas que les permiten existir se rompen y el cristal del tiempo se detiene. Y ese concepto se extiende m\u00e1s all\u00e1 de la observaci\u00f3n: cualquier interacci\u00f3n lo suficientemente fuerte con el entorno externo que rompa el estado cu\u00e1ntico del cristal del tiempo har\u00e1 que deje de ser un cristal del tiempo.<\/p>\n\n\n\n Aqu\u00ed es donde entr\u00f3 el equipo de Autti, tratando de encontrar una manera de interactuar con un cristal de tiempo cu\u00e1ntico a trav\u00e9s de observaciones cl\u00e1sicas. En la escala m\u00e1s peque\u00f1a, reina la f\u00edsica cu\u00e1ntica. Pero los bichos, los gatos, los planetas y los agujeros negros se describen mejor con las reglas deterministas de la mec\u00e1nica cl\u00e1sica.<\/p>\n\n\n\n “El continuo de la f\u00edsica cu\u00e1ntica a la f\u00edsica cl\u00e1sica sigue siendo poco conocido. C\u00f3mo uno se convierte en el otro es uno de los misterios m\u00e1s destacados de la f\u00edsica 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.<\/p>\n\n\n\n Magnones m\u00e1gicos En ese condensado, todos los espines de los electrones en el helio-3 se unieron y trabajaron juntos, generando ondas de energ\u00eda magn\u00e9tica, los magnones. Estas olas chapoteaban de un lado a otro para siempre, convirti\u00e9ndolas en un cristal del tiempo.<\/p>\n\n\n\n El equipo de Autti tom\u00f3 dos grupos de magnones, cada uno operando como su propio cristal del tiempo, y los acerc\u00f3 lo suficiente como para influirse mutuamente. El sistema combinado de magnones actu\u00f3 como un cristal de tiempo con dos estados diferentes.<\/p>\n\n\n\n El equipo de Autti espera que sus experimentos puedan aclarar la relaci\u00f3n entre la f\u00edsica cu\u00e1ntica y la cl\u00e1sica. Su objetivo es construir cristales de tiempo que interact\u00faen con sus entornos sin que los estados cu\u00e1nticos se desintegren, lo que permite que el cristal de tiempo siga funcionando mientras se usa para otra cosa. No significar\u00eda energ\u00eda libre: el movimiento asociado con un cristal de tiempo no tiene energ\u00eda cin\u00e9tica en el sentido habitual, pero podr\u00eda usarse para la computaci\u00f3n cu\u00e1ntica.<\/p>\n\n\n\n Tener dos estados es importante, porque esa es la base para el c\u00e1lculo. En los sistemas inform\u00e1ticos cl\u00e1sicos, la unidad b\u00e1sica de informaci\u00f3n es un bit, que puede tomar un estado 0 o 1, mientras que en la computaci\u00f3n cu\u00e1ntica, cada “qubit” puede estar en m\u00e1s de un lugar al mismo tiempo, lo que permite mucha m\u00e1s energ\u00eda computacional.<\/p>\n\n\n\n “Esto podr\u00eda significar que los cristales de tiempo se pueden usar como un bloque de construcci\u00f3n para dispositivos cu\u00e1nticos que funcionan tambi\u00e9n fuera del laboratorio. En tal empresa, el sistema de dos niveles que hemos creado ahora ser\u00eda un bloque de construcci\u00f3n b\u00e1sico”, dijo Autti.<\/p>\n\n\n\n Este trabajo est\u00e1 actualmente muy lejos de una computadora cu\u00e1ntica en funcionamiento, pero abre interesantes v\u00edas de investigaci\u00f3n. Si los cient\u00edficos pueden manipular el sistema de dos cristales de tiempo sin destruir sus estados cu\u00e1nticos, potencialmente podr\u00edan construir sistemas m\u00e1s grandes de cristales de tiempo que sirvan como verdaderos dispositivos computacionales.<\/p>\n\n\n\n
<\/strong>Nos encontramos con cristales normales todo el tiempo en la vida cotidiana, desde el hielo en un c\u00f3ctel hasta los diamantes en la joyer\u00eda. Si bien los cristales son bonitos, para un f\u00edsico representan una ruptura de las simetr\u00edas normales de la naturaleza.<\/p>\n\n\n\n
<\/strong>“Un cristal de tiempo sigue movi\u00e9ndose y se repite peri\u00f3dicamente en el tiempo en ausencia de est\u00edmulo externo”, dijo Autti. Esto es posible porque el cristal del tiempo se encuentra en su estado de energ\u00eda m\u00e1s bajo. Las reglas b\u00e1sicas de la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica impiden que el movimiento se quede completamente quieto, por lo que el cristal del tiempo permanece “atascado” en su ciclo interminable.<\/p>\n\n\n\n
<\/strong>En el nuevo estudio, Autti y su equipo utilizaron “magnones” para construir su cristal del tiempo. Los magnones son “cuasipart\u00edculas”, que emergen en el estado colectivo de un grupo de \u00e1tomos. En este caso, el equipo de f\u00edsicos tom\u00f3 helio-3, un \u00e1tomo de helio con dos protones pero solo un neutr\u00f3n, y lo enfri\u00f3 hasta una diezmil\u00e9sima de grado por encima del cero absoluto. A esa temperatura, el helio-3 se transform\u00f3 en un condensado de Bose-Einstein, donde todos los \u00e1tomos comparten un estado cu\u00e1ntico com\u00fan y trabajan en concierto entre s\u00ed.<\/p>\n\n\n\n