Un místico y fantástico estado de la materia

Todos están familiarizados con los estados básicos de la materia (sólido, líquido y gas) que se encuentran en la vida cotidiana, pero estos no constituyen la totalidad del Universo. Los científicos han descubierto otros estados más exóticos de la materia, a menudo con nombres místicos y fantásticos como superfluidos, condensados de Bose-Einstein y materia degenerada de neutrones, por nombrar algunos.

En los últimos años, físicos de todo el mundo han estado construyendo un nuevo estado de la materia: el `cristal de tiempo´ empleando computadoras cuánticas. Los científicos aún no han divulgado formalmente su investigación, pero el mes pasado publicaron una preimpresión (un artículo científico que aún no ha sido revisado por pares) en el sitio web ArXiV.

Entonces, ¿qué es una computadora cuántica? y ¿por qué se necesita una computadora cuántica para hacer un cristal de tiempo? Puede entenderse como el componente crítico que haría funcionar una máquina del tiempo, una especie de fuente de energía futurista o tal vez un artefacto de una civilización alienígena. Pero, para los científicos, un cristal del tiempo es en realidad algo más sutil, es una búsqueda para comprender las leyes de la física cuántica.

Todas las computadoras tienen el mismo propósito, procesar información. La información se almacena y procesa en bits. Cualquier sistema con dos estados distintos identificables (0 y 1) puede servir como un bit. Al conectar muchos bits de la manera correcta se pueden hacer cálculos aritméticos, lógicos, etc. Ahora, resulta que el mundo físico en un nivel muy fundamental se rige por las extrañas reglas de la física cuántica, donde hay una versión de un bit, llamada bit cuántico o “qubit”. Los qubits también se pueden describir en términos de dos estados, 0 y 1, pero también pueden ser 0 y 1 al mismo tiempo. Esto permite una forma mucho más rica de procesamiento de información y, por lo tanto, computadoras más poderosas.

Gran parte de la investigación actual en esta área se centra en la construcción de una computadora cuántica que funcione, una tarea de ingeniería realmente desafiante, así como en el diseño del software para manejarlas, tal como se hace con las computadoras actuales. La investigación se enfoca en desarrollar una aplicación que imaginó el famoso físico Richard Feynman hace más de 30 años: usar computadoras cuánticas para realizar investigaciones en física fundamental.

Un material puede tener propiedades muy diferentes según en qué fase se encuentre. La idea al emplear cristales de tiempo es que las sustancias existan más allá de las fases tradicionales de la materia, como las fases del agua que son hielo, agua y vapor. Los cristales comunes se caracterizan por una disposición muy regular de los átomos. Mientras que en un cristal de tiempo, las partículas no solo están dispuestas regularmente, sino que también se ordenan en el tiempo.

Los tipos de fases que existen tienen algo en común: están en “equilibrio térmico”. Si se deja una taza de café caliente sobre el escritorio, este transferirá calor a su entorno hasta que alcance la temperatura de la habitación y luego se detendrá la transferencia de calor, sin producir cambios térmicos a partir de ese momento, llegando así al equilibrio. Si se agrega cuidadosamente leche al café y se remueve, se verá que se producen cambios con el tiempo. El café y la leche se mezclarán en remolinos hasta que todo se convierta en un líquido uniforme de color marrón y nada cambiará después de eso. Estos son ejemplos de equilibrio. El tema es que las cosas en equilibrio no cambian con el tiempo. El cristal del tiempo quebranta esta condición. De hecho, sigue cambiando indefinidamente, por toda la eternidad, sin llegar nunca al equilibrio.

Por lo tanto, un cristal de tiempo constituye una fase fuera del equilibrio, de hecho, es uno de los primeros ejemplos de un estado tan extraño de la materia. Es esencialmente como un reloj que no deja de funcionar y que no pierde energía ni requiere un suministro extra para seguir funcionando. Esto se parece a una máquina de movimiento perpetuo, lo que violaría las leyes de la termodinámica. Pero la primera ley de la termodinámica, que dice que la energía no se crea ni se destruye, no está en peligro aquí, ya que no se puede extraer energía de un cristal del tiempo y al mismo tiempo mantenerlo en funcionamiento.

Por su parte, la segunda ley de la termodinámica establece que los sistemas pueden volverse más desordenadas con el tiempo. Este concepto probablemente sea demasiado familiar para cualquier persona con hijos y mascotas. Pero hay un aspecto que no se había considerado: la segunda ley prohíbe que las cosas se vuelvan más ordenadas de manera espontánea con el tiempo, pero no dice nada sobre mantener su actual nivel de desorden para siempre, debido a que en la vida cotidiana no se aprecia esta situación. Es el equivalente a remover el café y la leche para descubrir sorpresivamente que los remolinos de la leche nunca se mezclan por completo con los del café. No se ve en la vida cotidiana porque solamente es un fenómeno cuántico. Esto es lo que hacen los cristales de tiempo.

Las computadoras cuánticas todavía están en pañales. Pero a medida que mejoren, permitirán a los físicos aumentar la comprensión fundamental de la naturaleza. Esto, a su vez, puede traducirse en innovación tecnológica, tal como la física del siglo pasado permitió la revolución digital que da forma al estilo de vida en la actualidad. Los cristales de tiempo marcan el comienzo de este emocionante camino.