Nuevo experimento de cristal de tiempo puede abrir nuevos horizontes en computación cuántica

Un cristal de tiempo es una fase de la materia que se repite en el tiempo, de forma similar a como se repite la estructura de un cristal regular en el espacio.

En un nuevo experimento, un equipo internacional de científicos ha logrado unir dos cristales de tiempo , que pueden ser útiles en la computación cuántica.

Un cristal de tiempo, propuesto por primera vez por el físico Frank Wilczek en 2012, es una fase de la materia que se repite en el tiempo, de forma similar a como se repite la estructura de un cristal normal en el espacio. Lo que eso significa es que las partículas en el cristal cambian perpetuamente entre dos estados sin requerir la entrada de más energía y sin perder energía.

Estos cristales son los primeros objetos en romper lo que se conoce como “simetría de traducción del tiempo”, una regla de la física que dice que un objeto estable permanecerá sin cambios a lo largo del tiempo. Los cristales de tiempo violan esta regla, siendo estables y en constante cambio.

Entonces, por ejemplo, el hielo, cuando es estable, seguirá siendo hielo y solo cambiará cuando la temperatura u otro factor lo haga inestable. Sin embargo, un cristal de tiempo cambia incluso cuando está en su estado fundamental, actuando de manera diferente a todas las demás fases de la materia.

Los científicos de la Universidad de Lancaster, Royal Holloway de Londres, el Instituto Landau y la Universidad Aalto de Helsinki publicaron su trabajo en Nature Communications a principios de este mes.

“Todo el mundo sabe que las máquinas de movimiento perpetuo son imposibles”, dijo en un comunicado de prensa el Dr. Samuli Autti, autor principal del estudio del Departamento de Física de la Universidad de Lancaster. “Sin embargo, en física cuántica, el movimiento perpetuo está bien siempre que mantengamos nuestros ojos cerrados. Escabulléndonos por esta grieta podemos hacer cristales de tiempo.

“En la física cuántica, el movimiento perpetuo está bien siempre y cuando mantengamos los ojos cerrados. Al colarnos por esta grieta podemos hacer cristales de tiempo”. Dr. Samuli Autti del Departamento de Física de la Universidad de Lancaster

Para hacer el sistema de cristal de tiempo, los investigadores llevaron un superfluido de helio-3 (un estado de la materia que actúa como un fluido pero fluye sin fricción) a una milésima de grado por encima del cero absoluto (-273,15 °C), según a un artículo en el sitio web de la Universidad Aalto.

Luego, los investigadores crearon cristales de dos tiempos dentro del superfluido. Pudieron sobrevivir durante unos minutos, que es mucho tiempo para el fenómeno cuántico. Dentro del fluido, los cristales formaron un sistema cuántico de dos niveles, en el que dos estados cuánticos independientes podían ocupar ambos estados simultáneamente.

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“Los cristales de tiempo que creamos son diferentes entre sí en el sentido de que uno cambia su frecuencia en el tiempo, mientras que el otro no”, explicó Jere Mäkinen, investigador de Aalto. “Durante el experimento, pudimos hacer que sus frecuencias se cruzaran. Cuando sus frecuencias son casi iguales, interactúan y una parte de la amplitud de cada uno se mueve hacia el otro cristal.

“En nuestro segundo experimento, el cristal que permaneció regular estaba ‘vacío’ al principio, es decir, su amplitud era cero”, dijo Mäkinen. “Cuando la frecuencia del otro cristal se cruzó con la del cristal vacío, una parte de la amplitud se movió hacia él precisamente de la manera que predecía la teoría que describe los sistemas cuánticos de dos niveles”.

Estos sistemas cuánticos de dos niveles podrían usarse como un qubit, la computadora cuántica equivalente al bit que se usa en la computación estándar. Mientras que un bit tiene un valor de uno o cero, un qubit puede tener ambos al mismo tiempo, lo que lleva a una computación más rápida.

¿Que sigue?

Si bien este sistema de cristal de tiempo requería un superfluido extremadamente frío para existir, otros estudios han demostrado que los cristales de tiempo pueden existir a temperatura ambiente , lo que significa que puede haber una manera de hacer que este sistema funcione también a tales temperaturas. Esto podría conducir a dispositivos de computación cuántica que puedan operar en ambientes a temperatura ambiente.

En marzo, investigadores de la Universidad de California, Riverside, usaron luz para permitir que los cristales de tiempo sobrevivieran en condiciones de temperatura ambiente.

El cristal de tiempo de UC Riverside está hecho de un resonador de vidrio de fluoruro de magnesio en forma de disco de un milímetro de ancho. Cuando el disco es bombardeado con dos rayos láser, los investigadores observaron picos subarmónicos (tonos de frecuencia entre los dos rayos) que indican la ruptura de la simetría temporal y la creación de cristales de tiempo.

Los científicos eligieron un diseño de resonador particular y controlaron con precisión los rayos láser para crear ondas de luz con una sola cresta, en lugar de ondas como la mayoría de las formas de luz, según Scientific American . Estas ondas se denominan solitones, y los científicos pudieron crearlas con una periodicidad predecible: al ritmo, creando un cristal de tiempo.

Hablando con Scientific American , el autor principal, Hossein Taheri, declaró que quien observara el resonador vería variaciones periódicas en la intensidad de la luz saliente hasta que, en algún momento, emergería espontáneamente un patrón de intensidad de luz con una periodicidad muy diferente establecida por los solitones. Esto mostraría que el sistema estaba de alguna manera “fijando su propio tiempo”, creando así un cristal de tiempo.

El sistema creado por UC Riverside es único porque sus pérdidas aleatorias de energía, así como el ruido invasor (similar a la estática), en realidad aumentaron su estabilidad. El sistema también requiere relativamente pocas piezas para hacer.

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Fuente: The Jerusalem Post