Cristales de tiempo: la materia cuántica en dos dimensiones que nunca llega al equilibrio

En el mundo de la física, casi todo acaba rindiéndose al equilibrio. El calor siempre se acaba disipando, el movimiento se frena y la energía se degrada con el tiempo. Desde una estrella que se apaga hasta una bocanada de gas que termina ocupando toda una habitación, la naturaleza parece avanzar siempre hacia estados cada vez más estables y previsibles.

Pero, frente a esa lógica casi inexorable, los cristales de tiempo representan una rareza extrema: sistemas cuánticos capaces de mantener un movimiento interno periódico y estable sin asentarse nunca en el equilibrio térmico. No se trata de movimiento perpetuo en el sentido clásico, sino de una dinámica colectiva cuántica que se repite en el tiempo, como si el propio sistema llevara incorporado un pulso interno resistente al desgaste.

Ese comportamiento los convierte en uno de los contraejemplos más llamativos a la idea de que todo sistema físico acaba “parándose”. Del mismo modo que los átomos del cuarzo se organizan en una estructura ordenada en el espacio y resisten la deformación, los grados de libertad cuánticos en un cristal de tiempo oscilan siguiendo un patrón temporal estable, incluso cuando el entorno intenta perturbarlos.

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Durante la última década, estos sistemas han pasado de ser una propuesta teórica casi provocadora a un objeto de estudio de primer orden dentro de la física cuántica.

En ese contexto se sitúa el último avance firmado por Basque Quantum e IBM, que han demostrado la existencia de cristales de tiempo discretos bidimensionales utilizando un ordenador cuántico real.

El trabajo, publicado hoy en Nature Communications, se ha llevado a cabo sobre un sistema Quantum Heron, integrado en el Quantum System Two, el primer computador cuántico de este tipo instalado en Europa y ubicado en el IBM–Euskadi Quantum Computational Center, en San Sebastián.

Nuevo enfoque de investigación

El logro supone un paso decisivo respecto a investigaciones anteriores, que se habían centrado casi exclusivamente en cristales de tiempo unidimensionales. Hasta ahora, estos sistemas se habían estudiado principalmente como cadenas lineales de átomos o espines acoplados, estructuras extremadamente frágiles en las que un único defecto podía alterar por completo el comportamiento colectivo.

Empero, la nueva investigación supera esa limitación al demostrar cristales de tiempo en dos dimensiones, organizando las interacciones cuánticas en una estructura en forma de rejilla, más cercana a una superficie que a una línea.

Para entender por qué este salto es relevante, conviene volver a los orígenes experimentales del campo. Nicolás Lorente, investigador del Centro de Física de Materiales de Donostia, ha trabajado durante años en la observación directa del comportamiento atómico. En esos experimentos, cadenas de átomos como hierro o titanio, colocados muy cerca unos de otros y alineados, podían ser excitadas mediante microondas, provocando inversiones periódicas de sus espines.

Cuando esas inversiones seguían un patrón estable y resistente a las perturbaciones externas, los investigadores identificaban la aparición de un cristal de tiempo.

Pero, como anticipábamos, estos sistemas presentaban dos problemas fundamentales. Por un lado, su geometría unidimensional hacía que cualquier bloqueo local pudiera romper la dinámica global. Por otro, los cristales de tiempo solo emergen en condiciones de alta coherencia cuántica y son extremadamente sensibles al ruido, lo que limita severamente su estabilidad en entornos no ideales.

Un cristal de tiempo, visto con el microscopio. Imagen: Zhao & Smalyukh, Nature Materials

En otras palabras, el “caos” del universo exterior puede hacer que estas estructuras se desintegren con facilidad.

Es ahí donde los computadores cuánticos entran en escena como algo más que máquinas de cálculo. Sus procesadores, superenfriados y cuidadosamente aislados del calor y del ruido ambiental, ofrecen un entorno excepcional para estudiar este tipo de dinámicas fuera del equilibrio.

Basque Quantum proporcionó al equipo de Lorente y a los demás investigadores el acceso y las condiciones necesarias para utilizar este hardware como plataforma experimental, permitiendo implementar y observar directamente estos fenómenos en un sistema cuántico real.

Mikel Díez, responsable de desarrollo de negocios cuánticos de IBM España, explica a DISRUPTORES - EL ESPAÑOL que "el trabajo se ha realizado en un ordenador cuántico con un procesador de 156 cúbits, y se han ejecutado circuitos cuánticos involucrando 144 cúbits, junto con redes tensoriales". Para esta enseña, este experimento tiene, además, un poso de negocio que va más allá de la pura ciencia: "Un ejemplo de cristal de tiempo son los cúbits superconductores, de ahí el interés de este trabajo para el desarrollo de la computación cuántica. La capacidad de este tipo de materia para mantener su estructura cambiante sin consumir energía la hace muy interesante para obtener cúbits estables, memoria cuántica, e incluso elementos de seguridad imposibles de falsificar".

Más grandes y complejos

El resultado es la demostración de cristales de tiempo bidimensionales, más grandes y complejos que los observados hasta ahora. Al distribuir las interacciones a lo largo de una superficie cuántica, el sistema gana en robustez y tolerancia frente a defectos locales, superando algunas de las fragilidades inherentes a los modelos unidimensionales. Esta nueva geometría permite explorar fases no equilibradas más ricas, difíciles de reproducir con métodos de simulación clásicos.

"Es indudable que la escalabilidad de sistemas complejos, como el caso de los cristales de tiempo 2D, siempre lleva aparejado el reto de la posible incompatibilidad de los requisitos intrínsecos como son mantener la coherencia cuántica en el tiempo, el control de la entropía (o desorden), que todo el sistema del cristal del tiempo "oscile" en una frecuencia común...", añade Díez.

Y prosigue: "Teóricamente, no existe una ley física que límite el tamaño de un cristal de tiempo. La limitación viene más de la capacidad de las herramientas actuales para observar/modelizar cristales del tiempo grande. El estado del arte actual de la computación cuántica ha dado un paso más en observar escenarios que antes no podíamos".

El trabajo de BasQ e IBM se suma, además, a investigaciones recientes del instituto japonés RIKEN, realizadas también con ordenadores cuánticos de esta misma enseña. Según Oles Shtanko, investigador de IBM Quantum que ha colaborado con Lorente y otros científicos de BasQ, algunos de los resultados obtenidos en estos sistemas bidimensionales son especialmente difíciles de reproducir mediante ciertos enfoques clásicos, como las técnicas basadas en redes tensoriales.

Aunque no se descarta que métodos clásicos creativos puedan llegar a simular estos experimentos, Shtanko sitúa esta línea de investigación muy cerca del umbral de lo que podría considerarse una ventaja cuántica.