Un cristal de tiempo cambia de un estado a otro sin quemar energía.En una preimpresión publicada en línea el jueves por la noche, los investigadores de Google en colaboración con físicos de Stanford, Princeton y otras universidades dicen que han utilizado la computadora cuántica de Google para demostrar un "cristal de tiempo" genuino.Además, un grupo de investigación independiente afirmó a principios de este mes haber creado un cristal de tiempo en un diamante.Una nueva fase de la materia que los físicos se han esforzado por realizar durante muchos años, un cristal de tiempo es un objeto cuyas partes se mueven en un ciclo regular y repetitivo, manteniendo este cambio constante sin quemar energía.“La consecuencia es sorprendente: evades la segunda ley de la termodinámica”, dijo Roderich Moessner, director del Instituto Max Planck para la Física de Sistemas Complejos en Dresden, Alemania, y coautor del artículo de Google.Esa es la ley que dice que el desorden siempre aumenta.Los cristales de tiempo también son los primeros objetos en romper espontáneamente la "simetría de traducción del tiempo", la regla habitual de que un objeto estable permanecerá igual a lo largo del tiempo.Un cristal de tiempo es a la vez estable y siempre cambiante, con momentos especiales que se presentan en intervalos periódicos de tiempo.El cristal del tiempo es una nueva categoría de fases de la materia, ampliando la definición de lo que es una fase.Todas las demás fases conocidas, como el agua o el hielo, están en equilibrio térmico: sus átomos constituyentes se han asentado en el estado con la energía más baja permitida por la temperatura ambiente y sus propiedades no cambian con el tiempo.El cristal del tiempo es la primera fase “fuera de equilibrio”: tiene orden y perfecta estabilidad a pesar de estar en un estado excitado y evolutivo."Este es solo un espacio completamente nuevo y emocionante en el que estamos trabajando ahora", dijo Vedika Khemani, física de materia condensada ahora en Stanford, quien descubrió la fase novedosa cuando era estudiante de posgrado y fue coautora del nuevo artículo. con el equipo de Google.Khemani, Moessner, Shivaji Sondhi de Princeton y Achilleas Lazarides de la Universidad de Loughborough en el Reino Unido descubrieron la posibilidad de la fase y describieron sus propiedades clave en 2015;un grupo rival de físicos dirigido por Chetan Nayak de Microsoft Station Q y la Universidad de California, Santa Bárbara, lo identificó poco después como un cristal del tiempo.Los investigadores se han apresurado a crear un cristal del tiempo durante los últimos cinco años, pero las demostraciones anteriores, aunque exitosas en sus propios términos, no han logrado satisfacer todos los criterios necesarios para establecer la existencia del cristal del tiempo."Hay buenas razones para pensar que ninguno de esos experimentos tuvo éxito por completo, y una computadora cuántica como [la de Google] estaría particularmente bien situada para hacerlo mucho mejor que esos experimentos anteriores", dijo John Chalker, físico de materia condensada de la Universidad de Oxford que no participó en el nuevo trabajo.El equipo de computación cuántica de Google llegó a los titulares en 2019 cuando realizó el primer cálculo que se pensaba que las computadoras comunes no podían hacer en una cantidad de tiempo práctica.Sin embargo, esa tarea fue ideada para mostrar una aceleración y no tenía ningún interés inherente.La nueva demostración de Time Crystal marca una de las primeras veces que una computadora cuántica ha encontrado un empleo remunerado.“Es un uso fantástico del procesador [de Google]”, dijo Nayak.Con la preimpresión de ayer, que se envió para su publicación, y otros resultados recientes, los investigadores han cumplido la esperanza original de las computadoras cuánticas.En su artículo de 1982 que proponía los dispositivos, el físico Richard Feynman argumentó que podrían usarse para simular las partículas de cualquier sistema cuántico imaginable.Un cristal de tiempo ejemplifica esa visión.Es un objeto cuántico que la naturaleza misma probablemente nunca crea, dada su compleja combinación de delicados ingredientes.La imaginación conjuró la receta, agitada por las leyes más desconcertantes de la naturaleza.La noción original de un cristal del tiempo tenía un defecto fatal.El físico ganador del Premio Nobel Frank Wilczek concibió la idea en 2012, mientras impartía una clase sobre cristales (espaciales) ordinarios.“Si piensas en cristales en el espacio, es muy natural pensar también en la clasificación del comportamiento cristalino en el tiempo”, dijo poco después a esta revista.Considere un diamante, una fase cristalina de un grupo de átomos de carbono.El grupo se rige por las mismas ecuaciones en todas partes del espacio, pero toma una forma que tiene variaciones espaciales periódicas, con átomos colocados en puntos de red.Los físicos dicen que "rompe espontáneamente la simetría de traslación del espacio".Solo los estados de equilibrio de mínima energía rompen espontáneamente las simetrías espaciales de esta manera.Wilczek imaginó un objeto de varias partes en equilibrio, muy parecido a un diamante.Pero este objeto rompe la simetría de la traducción del tiempo: sufre un movimiento periódico, volviendo a su configuración inicial a intervalos regulares.El cristal de tiempo propuesto por Wilczek era profundamente diferente de, por ejemplo, un reloj de pared, un objeto que también experimenta un movimiento periódico.Las manecillas del reloj queman energía y se detienen cuando se agota la batería.Un cristal de tiempo de Wilczek no requiere entrada y continúa indefinidamente, ya que el sistema está en su estado de equilibrio ultra estable.Si suena inverosímil, lo es: después de mucha emoción y controversia, una prueba de 2014 mostró que la receta de Wilczek falla, como todas las demás máquinas de movimiento perpetuo concebidas a lo largo de la historia.Ese año, los investigadores de Princeton estaban pensando en otra cosa.Khemani y su asesor de doctorado, Sondhi, estaban estudiando la localización de muchos cuerpos, una extensión de la localización de Anderson, el descubrimiento ganador del Premio Nobel de 1958 de que un electrón puede quedar atrapado en un lugar, como si estuviera en una grieta en un paisaje accidentado.Un electrón se representa mejor como una onda, cuya altura en diferentes lugares da la probabilidad de detectar la partícula allí.La ola se propaga naturalmente con el tiempo.Pero Philip Anderson descubrió que la aleatoriedad, como la presencia de defectos aleatorios en una red cristalina, puede hacer que la onda del electrón se rompa, interfiera destructivamente consigo misma y se cancele en todas partes excepto en una pequeña región.La partícula se localiza.La gente pensó durante décadas que las interacciones entre múltiples partículas destruirían el efecto de interferencia.Pero en 2005, tres físicos de las universidades de Princeton y Columbia demostraron que una cadena unidimensional de partículas cuánticas puede experimentar la localización de muchos cuerpos;es decir, todos quedan atascados en un estado fijo.Este fenómeno se convertiría en el primer ingrediente del cristal del tiempo.Imagine una fila de partículas, cada una con una orientación magnética (o "giro") que apunta hacia arriba, hacia abajo o con alguna probabilidad de ambas direcciones.Imagina que los primeros cuatro giros apuntan inicialmente hacia arriba, abajo, abajo y arriba.Los espines fluctuarán mecánicamente cuánticamente y se alinearán rápidamente, si es posible.Pero la interferencia aleatoria entre ellos puede hacer que la fila de partículas se atasque en su configuración particular, incapaz de reorganizarse o establecerse en equilibrio térmico.Apuntarán hacia arriba, abajo, abajo y arriba indefinidamente.Sondhi y un colaborador habían descubierto que los sistemas localizados de muchos cuerpos pueden exhibir un tipo especial de orden, que se convertiría en el segundo ingrediente clave de un cristal de tiempo: si cambias todos los giros del sistema (que dan como resultado abajo, arriba, arriba y abajo en nuestro ejemplo), se obtiene otro estado estable localizado de muchos cuerpos.En el otoño de 2014, Khemani se unió a Sondhi en un año sabático en el Instituto Max Planck en Dresden.Allí, Moessner y Lazarides se especializaron en los llamados sistemas Floquet: sistemas impulsados ​​periódicamente, como un cristal que se estimula con un láser de cierta frecuencia.La intensidad del láser y, por tanto, la fuerza de su efecto sobre el sistema, varía periódicamente.Moessner, Lazarides, Sondhi y Khemani estudiaron lo que sucede cuando un sistema localizado de muchos cuerpos se activa periódicamente de esta manera.Descubrieron en cálculos y simulaciones que cuando haces cosquillas en una cadena localizada de giros con un láser de una manera particular, se mueven de un lado a otro, moviéndose entre dos estados diferentes localizados de muchos cuerpos en un ciclo repetitivo para siempre sin absorber ninguna energía neta. del láser.Llamaron a su descubrimiento una fase pi de vidrio giratorio (donde el ángulo pi significa un giro de 180 grados).El grupo informó el concepto de esta nueva fase de la materia, la primera fase fuera de equilibrio de muchos cuerpos jamás identificada, en una preimpresión de 2015, pero las palabras "cristal de tiempo" no aparecían en ninguna parte.Los autores agregaron el término en una versión actualizada, publicada en Physical Review Letters en junio de 2016, agradeciendo a un revisor en los agradecimientos por hacer la conexión entre su fase de vidrio giratorio pi y los cristales de tiempo.Algo más sucedió entre la aparición de la preimpresión y su publicación: Nayak, quien es un ex alumno graduado de Wilczek, y los colaboradores Dominic Else y Bela Bauer publicaron una preimpresión en marzo de 2016 proponiendo la existencia de objetos llamados cristales de tiempo Floquet.Señalaron como ejemplo la fase pi spin-glass de Khemani y compañía.Un cristal de tiempo Floquet exhibe el tipo de comportamiento previsto por Wilczek, pero solo mientras es impulsado periódicamente por una fuente de energía externa.Este tipo de cristal del tiempo evita el fracaso de la idea original de Wilczek al no pretender nunca estar en equilibrio térmico.Debido a que es un sistema localizado de muchos cuerpos, sus giros u otras partes no pueden establecerse en equilibrio;están atrapados donde están.Pero el sistema tampoco se calienta, a pesar de ser bombeado por un láser u otro controlador.En cambio, va y viene indefinidamente entre estados localizados.El láser ya habrá roto la simetría entre todos los momentos en el tiempo para la fila de giros, imponiendo en su lugar una "simetría de traducción de tiempo discreta", es decir, condiciones idénticas solo después de cada ciclo periódico del láser.Pero luego, a través de sus volteretas de ida y vuelta, la fila de giros rompe aún más la simetría discreta de traducción temporal impuesta por el láser, ya que sus propios ciclos periódicos son múltiplos de los del láser.Khemani y sus coautores habían caracterizado esta fase en detalle, pero el grupo de Nayak la expresó en el lenguaje del tiempo, la simetría y la ruptura espontánea de la simetría, todos conceptos fundamentales de la física.Además de ofrecer una terminología más atractiva, proporcionaron nuevas facetas de comprensión, y generalizaron ligeramente la noción de un cristal de tiempo Floquet más allá de la fase pi spin-glass (señalando que no se necesita cierta simetría).Su artículo se publicó en Physical Review Letters en agosto de 2016, dos meses después de que Khemani y compañía publicaran el descubrimiento teórico del primer ejemplo de la fase.Ambos grupos afirman haber descubierto la idea.Desde entonces, los investigadores rivales y otros se han apresurado a crear un cristal del tiempo en la realidad.El equipo de Nayak se asoció con Chris Monroe en la Universidad de Maryland, quien usa campos electromagnéticos para atrapar y controlar iones.El mes pasado, el grupo informó en Science que habían convertido los iones atrapados en un cristal de tiempo aproximado o "pretérmico".Sus variaciones cíclicas (en este caso, iones saltando entre dos estados) son prácticamente indistinguibles de las de un cristal de tiempo genuino.Pero a diferencia de un diamante, este cristal de tiempo pretérmico no es para siempre;si el experimento duraba lo suficiente, el sistema se equilibraría gradualmente y el comportamiento cíclico se rompería.Khemani, Sondhi, Moessner y colaboradores engancharon su carro en otro lugar.En 2019, Google anunció que su computadora cuántica Sycamore había completado una tarea en 200 segundos que le tomaría a una computadora convencional 10,000 años.(Otros investigadores describirían más tarde una forma de acelerar en gran medida el cálculo de la computadora común). Al leer el documento de anuncio, dijo Moessner, él y sus colegas se dieron cuenta de que “el procesador Sycamore contiene como bloques de construcción fundamentales exactamente las cosas que necesitamos para realizar el cristal del tiempo Floquet.Por casualidad, los desarrolladores de Sycamore también estaban buscando algo que hacer con su máquina, que es demasiado propensa a errores para ejecutar la criptografía y los algoritmos de búsqueda diseñados para computadoras cuánticas completas.Cuando Khemani y sus colegas se pusieron en contacto con Kostya Kechedzhi, un teórico de Google, él y su equipo acordaron rápidamente colaborar en el proyecto del cristal del tiempo.“Mi trabajo, no solo con cristales de tiempo discreto sino también con otros proyectos, es tratar de usar nuestro procesador como una herramienta científica para estudiar nueva física o química”, dijo Kechedzhi.Reciba la revista Quanta en su bandeja de entradaVideo: Las computadoras cuánticas no son la próxima generación de supercomputadoras, son algo completamente diferente.Antes de que podamos comenzar a hablar sobre sus aplicaciones potenciales, debemos comprender la física fundamental que impulsa la teoría de la computación cuántica.Revista Emily Buder/Quanta;Adrián Vásquez de Velasco, Chris FitzGerald y DVDP para Quanta MagazineLas computadoras cuánticas consisten en "qubits", partículas cuánticas esencialmente controlables, cada una de las cuales puede mantener dos estados posibles, etiquetados como 0 y 1, al mismo tiempo.Cuando los qubits interactúan, pueden hacer malabarismos colectivamente con un número exponencial de posibilidades simultáneas, lo que permite ventajas informáticas.Los qubits de Google consisten en tiras de aluminio superconductoras.Cada uno tiene dos posibles estados de energía, que pueden programarse para representar giros apuntando hacia arriba o hacia abajo.Para la demostración, Kechedzhi y sus colaboradores usaron un chip con 20 qubits para que sirviera como cristal del tiempo.Quizás la principal ventaja de la máquina sobre sus competidores es su capacidad para ajustar la fuerza de las interacciones entre sus qubits.Esta capacidad de ajuste es clave para explicar por qué el sistema podría convertirse en un cristal del tiempo: los programadores podían aleatorizar las fuerzas de interacción de los qubits, y esta aleatoriedad creaba una interferencia destructiva entre ellos que permitía que la fila de giros lograra la localización de muchos cuerpos.Los qubits podrían bloquearse en un patrón establecido de orientaciones en lugar de alinearse.Los investigadores dieron a los giros configuraciones iniciales arbitrarias, como: arriba, abajo, abajo, arriba, etc.Bombear el sistema con microondas volteadas hacia arriba, girando hacia abajo y viceversa.Al ejecutar decenas de miles de demostraciones para cada configuración inicial y medir los estados de los qubits después de diferentes cantidades de tiempo en cada ejecución, los investigadores pudieron observar que el sistema de espines estaba cambiando entre dos estados localizados de muchos cuerpos.El sello distintivo de una fase es la estabilidad extrema.El hielo permanece como hielo incluso si la temperatura fluctúa.De hecho, los investigadores descubrieron que los pulsos de microondas solo tenían que dar vueltas en algún lugar del rango de 180 grados, pero no exactamente tanto, para que los giros volvieran a su orientación inicial exacta después de dos pulsos, como pequeños botes que se enderezaban.Además, los espines nunca absorbieron ni disiparon la energía neta del láser de microondas, dejando el desorden del sistema sin cambios.El 5 de julio, un equipo con sede en la Universidad Tecnológica de Delft en los Países Bajos informó que construyeron un cristal de tiempo Floquet no en un procesador cuántico, sino a partir de los espines nucleares de los átomos de carbono en un diamante.El sistema de Delft es más pequeño y más limitado que el cristal de tiempo realizado en el procesador cuántico de Google.No está claro si un cristal de tiempo Floquet podría tener un uso práctico.Pero su estabilidad parece prometedora para Moessner.“Algo que es tan estable como esto es inusual, y las cosas especiales se vuelven útiles”, dijo.O el estado podría ser meramente útil desde el punto de vista conceptual.Es el primer y más simple ejemplo de una fase fuera de equilibrio, pero los investigadores sospechan que son físicamente posibles más fases de este tipo.Nayak argumenta que los cristales de tiempo iluminan algo profundo sobre la naturaleza del tiempo.Normalmente en física, dijo, "por mucho que trates de tratar [el tiempo] como si fuera solo otra dimensión, siempre es algo atípico".Einstein hizo el mejor intento de unificación, tejiendo el espacio 3D junto con el tiempo en un tejido de cuatro dimensiones: el espacio-tiempo.Pero incluso en su teoría, el tiempo unidireccional es único.Con los cristales de tiempo, dijo Nayak, "este es el primer caso que conozco en el que, de repente, el tiempo es solo uno de la pandilla".Chalker argumenta, sin embargo, que el tiempo sigue siendo un valor atípico.El cristal del tiempo de Wilczek habría sido una verdadera unificación de tiempo y espacio, dijo.Los cristales espaciales están en equilibrio y, en consecuencia, rompen la simetría de traslación espacial continua.El descubrimiento de que, en el caso del tiempo, los cristales de tiempo sólo pueden romper la simetría discreta de la traducción del tiempo pone un nuevo ángulo en la distinción entre el tiempo y el espacio.Estas discusiones continuarán, impulsadas por la posibilidad de exploración en computadoras cuánticas.Los físicos de la materia condensada solían preocuparse por las fases del mundo natural.“El enfoque pasó de estudiar lo que nos da la naturaleza”, dijo Chalker, a soñar con formas exóticas de materia que permite la mecánica cuántica.Actualización: 30 de julio de 2021 Tras la publicación de este artículo, Quanta se enteró de que, el 5 de julio, un grupo de investigación independiente había publicado una preimpresión que afirmaba haber creado un cristal de tiempo utilizando nueve átomos de carbono en un diamante.Hemos actualizado el artículo para incluir este resultado.Reciba la revista Quanta en su bandeja de entradaObtenga los aspectos más destacados de las noticias más importantes en su bandeja de entrada de correo electrónicoQuanta Magazine modera los comentarios para facilitar una conversación informada, sustantiva y civilizada.Se rechazarán los comentarios abusivos, profanos, de autopromoción, engañosos, incoherentes o fuera de tema.Los moderadores trabajan durante el horario comercial habitual (hora de Nueva York) y solo pueden aceptar comentarios escritos en inglés.