Basque Quantum e IBM exploran los 'cristales de tiempo', un unicornio de la física

Los avances con sello vasco no dejan de llegar, y el ordenador cuántico IBM está dando muchas alegrías a sus investigadores, con desarrollos y avances que pueden ayudar a cambiar el mundo.

El último de ellos, publicado en 'Nature Communications',ha logrado una de las demostraciones más grandes y complejas de un cristal de tiempo utilizando un chip IBM Quantum Heron.

"Este trabajo, en el que participaron científicos de Basque Quantum (BasQ), NIST y de IBM, demuestra el poder de los ordenadores cuánticos actuales para impulsar avances relevantes en otras disciplinas científicas, así como las oportunidades que se generan cuando el hardware cuántico y clásico trabajan en conjunto dentro de una arquitectura de supercomputación centrada en la cuántica", explican desde Basque Quantum.

¿Qué es un cristal de tiempo?

Para entender la importancia de esta investigación hay que hacer un pequeño viaje en el tiempo. Allá por el año 2012, el premio Nobel de Física Frank Wilczek propuso una teoría que amenazaba con hacer tambalear los cimientos de todo lo que se conocía hasta entonces. ¿Y si existiera un tipo de material que no solo se organiza en el espacio como un cristal tradicional, sino también en el tiempo? 

Suena complejo, pero para entenderlo tenemos que echar un vistazo a qué son los cristales. Porque no, no se trata de vidrios como los de las ventanas, sino que en el campo de la física son cuando nos encontramos ante un objeto, un cuerpo, que tiene sus átomos dispuestos en un orden fijo, creando una estructura ordenada que se repite continuamente a sí misma en el espacio, formando una especie de malla. Ejemplo de ello puede ser la sal de mesa, los copos de nieve o el hielo.

Esto cambia cuando hablamos de cristales de tiempo. Y es que, responde a una pregunta muy concreta que hace unos años fue como abrir la caja de Pandora de la ciencia: si, según la relatividad no vivimos en un mundo de tres dimensiones sino de cuatro (el espacio-tiempo), igual que tenemos cristales de espacio, ¿sería posible tener cristales de tiempo?

"Viola un par de leyes de la física", explicó en un vídeo divulgativo el físico Javier Santaolalla. "Decir que un cristal de tiempo es como un cristal de espacio pero moviendo la dimensión periódica a la dimensión temporal es fácil decirlo. Hacerlo es muy distinto. Vamos a encontrarnos con algún que otro freno en forma de ley universal de la física", señaló hace unos años este experto.

Sin embargo, en 2016, alguien lo logró, convirtiendo a los cristales del tiempo en algo mucho más que una simple teoría, ese unicornio que perseguían, ya que estos cristales existen desde ese año. El Basque Quantum resume, en definitiva, que "un cristal de tiempo es una fase de la materia que solo existe fuera del equilibrio".

Un hito histórico

El verdadero avance ha llegado ahora para solucionar el hecho de que los cristales de tiempo son delicados y difíciles de configurar, y solo se han creado unas pocas veces en entornos de laboratorio. "Requieren arreglos precisos de partículas en sistemas cuánticos altamente coherentes que estén bien protegidos del calor y el ruido", explican desde Basque Quantum.

Hasta hace muy poco, estas limitaciones significaban que solo era posible estudiar cristales de tiempo unidimensionales en entornos de laboratorio: "los investigadores configuraban cadenas de átomos, cada uno vinculado al siguiente en una línea. Los investigadores habían teorizado sobre cristales de tiempo a escalas más grandes, pero son difíciles de modelar computacionalmente. Añadir más dimensiones a un cristal de tiempo hace que las interacciones superpuestas crezcan rápidamente en complejidad, volviéndose imposibles de predecir con métodos clásicos", resumen.

Ahora, los ordenadores cuánticos de IBM, con sus procesadores aislados del calor y del ruido exterior, ofrecen un entorno ideal para estudiar fenómenos cuánticos como los cristales de tiempo. "El equipo detrás de la investigación más reciente anunció que había construido un cristal de tiempo bidimensional de 144 qubits (la unidad básica de información en la computación cuántica) en el chip Heron. Dado que los qubits son objetos cuánticos, los investigadores no solo están simulando un cristal de tiempo, sino creándolo utilizando qubits como la unidad básica", añaden.

Dos dimensiones

Además, recuerdan que hasta ahora no estaba claro si un cristal de tiempo de esta complejidad era posible fuera de modelos muy artificiales, tal y como reconoce Niall Robertson, científico investigador de IBM, también autor del artículo. Pero este trabajo "ayuda a mostrar que los cristales de tiempo en 2D son robustos más allá de escalas muy pequeñas, lo que podría tener implicaciones para futuras investigaciones. Y, en el tamaño de cristal más grande que estudiaron, el equipo probó parámetros en Heron que no pudieron simular en un ordenador clásico", reseñan.

Este trabajo prepara ahora el terreno para explorar los cristales de tiempo en mayor profundidad. Los investigadores están interesados, por ejemplo, en el papel del desorden en los cristales de tiempo. Ahora, los investigadores están probando cuánto desorden pueden tolerar; "cierta cantidad de desorden es necesaria para estabilizar un cristal de tiempo, pero demasiado desorden amenaza con hacerlo estallar", recuerdan desde este proyecto.