Los cristales de tiempo marcan el ritmo: una nueva vía hacia relojes cuánticos

• El estudio, publicado en Physical Review Letters, demuestra que los cristales de tiempo cuánticos disipativos pueden funcionar como relojes muy precisos y rápidos, con un rendimiento mejorado gracias a la ruptura espontánea de la simetría de traslación temporal.
• La investigación es el resultado de una colaboración entre investigadores del Instituto de Física Interdisciplinar y Sistemas Complejos (IFISC, UIB-CSIC), el International Centre for Theoretical Physics (ICTP) y la Technical University of Vienna.

Una fase de la materia descubierta recientemente, conocida como cristal de tiempo, podría proporcionar una nueva y potente plataforma para medir el tiempo a escala cuántica. En un artículo reciente publicado en Physical Review Letters, los investigadores presentan un modelo teórico que muestra que los cristales de tiempo disipativos pueden operar como auténticos relojes cuánticos, combinando alta exactitud y resolución mientras mantienen una disipación de energía sorprendentemente baja.

Los cristales de tiempo son sistemas cuánticos de muchos cuerpos que se organizan espontáneamente en un movimiento periódico, incluso sin que exista un reloj externo que marque el ritmo. Este comportamiento inusual, que rompe la simetría fundamental de traslación temporal, ha despertado un creciente interés durante la última década, principalmente por su significado conceptual y por su papel emergente en el ámbito de la detección cuántica. El nuevo estudio da un paso decisivo en esta línea de investigación al mostrar cómo los cristales de tiempo pueden aprovecharse directamente para medir el tiempo.

Los autores proponen un reloj cuántico construido a partir de una gran colección de espines interactuantes acoplados a un entorno fuera del equilibrio. Cuando este sistema se monitoriza de forma continua, su dinámica de cristal de tiempo se vuelve visible a través de un flujo de eventos detectables. Al contar los fotones emitidos por los espines, el reloj produce “ticks” estocásticos que pueden utilizarse para definir una referencia temporal. De forma crucial, a medida que aumenta el número de espines, esta señal se vuelve más regular y macroscópica, mejorando el rendimiento del reloj en lugar de diluirlo.

“Nuestros resultados muestran que los cristales de tiempo no son solo una fascinante fase de la materia, sino que también pueden tener utilidad práctica”, afirma Gonzalo Manzano, investigador del IFISC (UIB-CSIC) y uno de los principales autores del estudio. “Las oscilaciones espontáneas de la fase de cristal de tiempo se traducen en una señal de reloj que es a la vez rápida y precisa, y cuya calidad mejora colectivamente a medida que el sistema crece. Es un ejemplo de cómo la complejidad de un sistema físico puede utilizarse como recurso”.

El equipo analiza sistemáticamente el rendimiento del reloj utilizando indicadores bien establecidos como la resolución (qué tan rápido produce ticks el reloj) y la exactitud (qué tan similares son esos ticks entre sí). Encuentran que, una vez que el sistema entra en el régimen de cristal de tiempo, el compromiso habitual entre estas dos magnitudes se modifica de forma significativa. En particular, el reloj puede superar referencias clásicas gracias a las correlaciones inducidas por la ruptura de la simetría de traslación temporal.

Más allá del rendimiento como reloj, el trabajo también aborda una cuestión fundamental: ¿cuál es el coste energético de medir el tiempo? Cualquier reloj en funcionamiento en contacto con el entorno debe disipar energía, y comprender este coste es esencial para futuras tecnologías cuánticas. Los investigadores desarrollan nuevas técnicas para evaluar este coste y muestran que la exactitud de un reloj cuántico está directamente relacionada con la cantidad de entropía que produce. Estas técnicas se basan en la teoría de martingalas, un marco matemático que ya ha demostrado ser útil en distintos contextos, desde las finanzas hasta la termodinámica estocástica. De este modo, el estudio proporciona una forma termodinámica clara de evaluar con qué eficiencia puede medirse el tiempo a nivel cuántico.

“La teoría de Martingala ha sido crucial para evaluar los costes termodinámicos en tiempos estocásticos, como los instantes en los que el reloj produce un tick”, explica Manzano. “Ofrece un marco claro para evaluar la eficiencia con la que opera un reloj cuántico, algo que está atrayendo mucha atención”.

Según los autores, el reloj basado en cristales de tiempo propuesto puede operar en un régimen ultra rápido, preciso y con una disipación relativamente baja, lo que lo convierte en un candidato prometedor para futuros dispositivos cuánticos de medición del tiempo. Los conceptos y métodos introducidos en el trabajo son generales y podrían aplicarse a una amplia clase de sistemas cuánticos impulsados y disipativos.

De cara al futuro, los investigadores esperan que sus resultados estimulen nuevos estudios sobre el uso de los cristales de tiempo en tecnologías cuánticas, desde la medición precisa del tiempo hasta la detección cuántica y otras aplicaciones. Al vincular la ruptura de simetría fundamental con el rendimiento termodinámico, el trabajo abre una nueva perspectiva sobre cómo fases exóticas de la materia pueden convertirse en dispositivos cuánticos funcionales.

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