Els cristalls del temps marquen el ritme: una nova via cap a rellotges quàntics

• L’estudi, publicat a Physical Review Letters, demostra que els cristalls del temps quàntics dissipatius poden funcionar com a rellotges molt precisos i ràpids, amb un rendiment millorat gràcies al trencament espontani de la simetria de translació temporal.
• La recerca és el resultat d’una col·laboració entre investigadors de l’Institut de Física Interdisciplinària i Sistemes Complexos (IFISC, UIB-CSIC), l’International Centre for Theoretical Physics (ICTP) i la Technical University of Vienna.

Una fase de la matèria descoberta recentment, coneguda com a cristall del temps, podria proporcionar una nova i potent plataforma per mesurar el temps a escala quàntica. En un article recent publicat a Physical Review Letters, els investigadors presenten un model teòric que mostra que els cristalls del temps dissipatius poden operar com a autèntics rellotges quàntics, combinant alta exactitud i resolució mentre mantenen una dissipació d’energia sorprenentment baixa.

Els cristalls del temps són sistemes quàntics de molts cossos que s’organitzen espontàniament en un moviment periòdic, fins i tot sense que hi hagi un rellotge extern que marqui el ritme. Aquest comportament inusual, que trenca la simetria fonamental de translació temporal, ha despertat un interès creixent durant l’última dècada, principalment pel seu significat conceptual i pel seu paper emergent en el camp de la detecció quàntica. El nou estudi fa un pas decisiu en aquesta línia de recerca mostrant com els cristalls del temps es poden aprofitar directament per mesurar el temps.

Els autors proposen un rellotge quàntic construït a partir d’una gran col·lecció d’espins interactuants acoblats a un entorn fora de l’equilibri. Quan aquest sistema és monitoritzat de manera contínua, la seva dinàmica de cristall del temps es fa visible a través d’un flux d’esdeveniments detectables. Comptant els fotons emesos pels espins, el rellotge produeix “ticks” estocàstics que es poden utilitzar per definir una referència temporal. De manera crucial, a mesura que augmenta el nombre d’espins, aquest senyal esdevé més regular i macroscòpic, millorant el rendiment del rellotge en lloc de diluir-lo.

“Els nostres resultats mostren que els cristalls del temps no són només una fase fascinant de la matèria, sinó que també poden tenir utilitat pràctica”, afirma Gonzalo Manzano, investigador de l’IFISC (UIB-CSIC) i un dels principals autors de l’estudi. “Les oscil·lacions espontànies de la fase de cristall del temps es tradueixen en un senyal de rellotge que és alhora ràpid i precís, i la qualitat del qual millora col·lectivament a mesura que el sistema creix. És un exemple de com la complexitat d’un sistema físic pot utilitzar-se com a recurs”.

L’equip analitza sistemàticament el rendiment del rellotge utilitzant indicadors ben establerts com la resolució (com de ràpid produeix els ticks el rellotge) i l’exactitud (com de semblants són aquests ticks entre si). Troben que, una vegada el sistema entra en el règim de cristall del temps, el compromís habitual entre aquestes dues magnituds es modifica de manera significativa. En particular, el rellotge pot superar referències clàssiques gràcies a les correlacions induïdes pel trencament de la simetria de translació temporal.

Més enllà del rendiment com a rellotge, el treball també aborda una qüestió fonamental: quin és el cost energètic de mesurar el temps? Qualsevol rellotge en funcionament en contacte amb l’entorn ha de dissipar energia, i entendre aquest cost és essencial per a futures tecnologies quàntiques. Els investigadors desenvolupen noves tècniques per avaluar aquest cost i mostren que l’exactitud d’un rellotge quàntic està directament relacionada amb la quantitat d’entropia que produeix. Aquestes tècniques es basen en la teoria de Martingala, un marc matemàtic que ja ha demostrat ser útil en diferents contextos, des de les finances fins a la termodinàmica estocàstica. D’aquesta manera, l’estudi proporciona una forma termodinàmica clara d’avaluar amb quina eficiència es pot mesurar el temps a escala quàntica.

“La teoria de Martingala ha estat clau per avaluar els costos termodinàmics en temps estocàstics, com ara els instants en què el rellotge produeix un tick”, explica Manzano. “Ofereix un marc clar per avaluar com d’eficient és el funcionament d’un rellotge quàntic, un aspecte que està despertant molt interès”.

Segons els autors, el rellotge basat en cristalls del temps proposat pot operar en un règim ultra ràpid, precís i amb una dissipació relativament baixa, fet que el converteix en un candidat prometedor per a futurs dispositius quàntics de mesura del temps. Els conceptes i mètodes introduïts en aquest treball són generals i podrien aplicar-se a una àmplia classe de sistemes quàntics conduïts i dissipatius.

De cara al futur, els investigadors esperen que els seus resultats estimulin nous estudis sobre l’ús dels cristalls del temps en tecnologies quàntiques, des de la mesura precisa del temps fins a la detecció quàntica i altres aplicacions. En vincular el trencament de simetria fonamental amb el rendiment termodinàmic, el treball obre una nova perspectiva sobre com fases exòtiques de la matèria poden convertir-se en dispositius quàntics funcionals.

L. Viotti, M. Huber, R. Fazio, and G. Manzano. Quantum Time-Crystal Clock and its Performance, Physical Review Letters (2026). DOI: https://doi.org/10.1103/dj21-gmdj