Así podrían los cristales de tiempo crear relojes cuánticos ultraeficientes capaces de redefinir nuestra forma de medir la realidad
Un fenómeno cuántico que parecía puramente teórico podría cambiar la forma en que entendemos la precisión temporal. Un nuevo estudio analiza sus límites físicos y energéticos y sugiere un giro inesperado en la carrera por medir el tiempo con mayor fiabilidad
Fuente: ChatGPT
Eugenio M. Fernández Aguilar
Físico, escritor y divulgador científico, muyinteresante.okdiario.com/16.02.2026
Medir el tiempo con precisión es una de las bases invisibles de la vida moderna. Desde la sincronización de satélites hasta las telecomunicaciones y los experimentos de física fundamental, todo depende de señales periódicas extremadamente estables. Los relojes atómicos actuales han llevado esa estabilidad a niveles asombrosos, pero lo han hecho a costa de sistemas complejos, delicados y con un consumo energético considerable. En paralelo, la física cuántica sigue planteando una pregunta incómoda: ¿qué limita, en última instancia, la precisión con la que puede medirse el tiempo?
Un nuevo trabajo publicado en Physical Review Letters aborda esta cuestión desde un ángulo inesperado: los cristales de tiempo, una fase exótica de la materia que rompe espontáneamente la simetría temporal. El artículo, firmado por Ludmila Viotti y colaboradores, no se limita a describir un fenómeno curioso, sino que analiza con detalle si estos sistemas podrían funcionar como relojes cuánticos reales y cómo se comportarían desde el punto de vista termodinámico. La propuesta combina teoría cuántica, física estadística y análisis de fluctuaciones para evaluar hasta dónde puede llegar este enfoque.
Qué significa que un sistema rompa la simetría del tiempo
En física, un cristal convencional se define por un patrón que se repite en el espacio. Los átomos ocupan posiciones periódicas y esa regularidad espacial es su rasgo distintivo. Un cristal de tiempo, en cambio, presenta una repetición en el tiempo: ciertas magnitudes del sistema oscilan de forma estable sin que un agente externo marque el ritmo en cada ciclo.
El artículo lo expresa de manera directa al definir el concepto central: “Un cristal de tiempo es una fase cuántica de la materia que rompe espontáneamente la invariancia por traslación temporal”. Esta frase, traducida del texto original, resume la idea clave. No se trata de una oscilación impuesta desde fuera, como ocurre cuando un láser fuerza a un sistema a vibrar, sino de una dinámica colectiva que emerge de las propias interacciones internas.
Esa diferencia es crucial. En muchos dispositivos actuales, la señal periódica proviene de una excitación externa continua. En un cristal de tiempo, el patrón rítmico puede mantenerse como una propiedad colectiva del sistema. El trabajo estudia precisamente esa posibilidad en un contexto realista, con un entorno que intercambia energía con el sistema y con un número finito de partículas.
Esquema conceptual del reloj cuántico basado en un cristal de tiempo: un conjunto de partículas con dos orientaciones posibles interactúa colectivamente y genera una señal periódica que puede leerse como un “tic” sin necesidad de excitaciones externas continuas. En la parte superior se representa la línea temporal y la detección de intervalos, mientras que en la inferior se ilustra el sistema colectivo cuya dinámica interna produce el ritmo del reloj. Fuente: Physical Review Letters
Cómo se construye un reloj a partir de espines colectivos
El modelo analizado consiste en un conjunto de partículas cuánticas con dos estados posibles —espín arriba o abajo— que interactúan colectivamente con un entorno bosónico. El artículo lo describe como “un modelo de reloj compuesto por muchos espines idénticos que interactúan colectivamente con un entorno fuera del equilibrio”. Esa interacción no es un detalle técnico menor: es lo que permite que aparezca la fase de cristal de tiempo en el límite macroscópico.
En la práctica, el reloj no mide el tiempo leyendo directamente una oscilación suave. En lugar de eso, se monitorizan eventos discretos, llamados saltos cuánticos. Cada vez que el sistema emite o absorbe una excitación colectiva, se registra un “evento”. El tiempo se define entonces como el intervalo necesario para acumular un número determinado de estos eventos.
En este punto aparecen dos ideas clave para evaluar cualquier reloj: con qué frecuencia puede marcar el paso del tiempo y qué tan regulares son esos intervalos. La primera se refiere a la capacidad de distinguir fracciones cada vez más pequeñas —es decir, cuántos “tics” puede generar en un periodo dado—. La segunda mide la estabilidad: si los intervalos entre un tic y el siguiente son casi idénticos o si fluctúan de manera apreciable. Un buen reloj no solo debe marcar rápido, sino hacerlo con una regularidad extrema.
El análisis revela que el comportamiento del sistema cambia de forma cualitativa cuando el parámetro que controla la fase supera un valor crítico. Por debajo de ese umbral, el reloj se comporta como un proceso casi aleatorio. Por encima, aparecen oscilaciones colectivas persistentes que dejan huella en las estadísticas de los eventos detectados.
El punto de inflexión: cuando el cristal de tiempo mejora el rendimiento
El resultado central del trabajo aparece al comparar el compromiso entre exactitud y resolución en las dos fases. En sistemas puramente aleatorios, agrupar más eventos mejora la exactitud, pero empeora la resolución de manera predecible. Es una limitación conocida en teoría de procesos estocásticos.
Sin embargo, cuando el sistema entra en la fase de cristal de tiempo, ese compromiso cambia de forma notable. Las curvas que relacionan exactitud y resolución dejan de seguir el patrón simple esperado para procesos independientes. Surgen máximos en el rendimiento para ciertos valores óptimos del umbral de conteo.
El propio artículo lo resume así: “Encontramos que los cristales de tiempo cuánticos son efectivamente relojes cuánticos genuinos con un rendimiento mejorado por la ruptura espontánea de la simetría de traslación temporal”. Esta afirmación, traducida fielmente, apunta a la idea central: la fase de cristal de tiempo no es solo una curiosidad teórica, sino un recurso que mejora el desempeño del reloj.
En términos prácticos, el reloj puede alcanzar una mayor exactitud para una resolución dada que la esperada en un proceso tipo Poisson. Además, el umbral óptimo para definir cada “tic” crece con el tamaño del sistema, lo que indica un efecto colectivo genuino.
Fuente: ChatGPT
El coste termodinámico de medir el tiempo
Todo reloj produce entropía. Esta idea, ligada a la segunda ley de la termodinámica, ha dado lugar a relaciones que conectan la precisión de un proceso con la energía disipada. El artículo dedica una parte importante a cuantificar este aspecto.
Cada vez que un reloj marca un “tic”, intercambia energía con su entorno. Ese intercambio deja una huella inevitable en forma de entropía, una magnitud que en física está asociada al desorden y a la irreversibilidad. Los autores analizan cuánta entropía se genera, en promedio, en cada intervalo entre tics y muestran que no puede reducirse arbitrariamente sin afectar al rendimiento del reloj. En otras palabras, medir el tiempo con precisión tiene un coste termodinámico que no se puede esquivar.
Lo interesante es que este límite no es una simple intuición, sino que está respaldado por una relación matemática muy general que conecta fluctuaciones y disipación. Aplicada al caso del reloj, esa relación implica que, aunque en intervalos individuales puedan darse pequeñas variaciones, el balance global respeta una regla estricta: el sistema no puede ganar precisión sin pagar un precio energético asociado. De este modo, la física estadística impone un marco claro sobre lo que cualquier reloj —incluido uno basado en cristales de tiempo— puede y no puede hacer.
Además, el estudio muestra que, al aumentar el tamaño del sistema, la exactitud crece aproximadamente como la raíz cuadrada de la producción de entropía media por tic. Esto implica que el rendimiento mejora con el número de partículas, aunque a costa de una mayor disipación total. No existe un reloj perfecto sin coste energético, pero la fase de cristal de tiempo permite una mejor relación entre precisión y disipación que en modelos más simples.
Robustez frente al ruido clásico
Un aspecto relevante es la comparación con un sistema impulsado por una señal clásica ruidosa. Si la amplitud de la excitación externa fluctúa, la señal periódica pierde estabilidad. El trabajo analiza qué ocurre cuando ese tipo de ruido afecta al sistema y concluye que, en ciertos regímenes, el reloj basado en cristal de tiempo puede superar al impulso clásico imperfecto.
La razón es que las oscilaciones colectivas tienen un componente intrínseco que no depende únicamente de la pureza de la señal externa. En determinadas condiciones, el factor de ruido —medido mediante el factor de Fano— resulta más favorable en el régimen cristalino que en el régimen impulsado clásicamente.
Esto no significa que el sistema sea inmune a cualquier perturbación, pero sí que la coherencia colectiva actúa como un amortiguador frente a fluctuaciones externas moderadas.
Más allá del laboratorio teórico
El artículo subraya que aún queda camino por recorrer antes de que estos sistemas se conviertan en dispositivos prácticos. No obstante, plantea una diferencia conceptual importante respecto a otros modelos de relojes cuánticos: la señal de salida puede volverse macroscópica al aumentar el número de partículas.
En lugar de depender de la detección de una única excitación, el reloj basado en cristal de tiempo genera un patrón colectivo que se refuerza con el tamaño del sistema. Esto abre la puerta a diseños donde la señal sea más accesible experimentalmente sin sacrificar rendimiento interno.
Si se logra trasladar esta propuesta a plataformas experimentales viables, podría explorarse su aplicación en tecnologías que requieren sincronización precisa o en sensores cuánticos de alta sensibilidad. Más allá de la aplicación inmediata, el trabajo aporta una idea potente: la ruptura espontánea de simetrías temporales puede convertirse en un recurso tecnológico.
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Referencias
Ludmila Viotti, Marcus Huber, Rosario Fazio y Gonzalo Manzano, “Quantum Time Crystal Clock and its Performance”, Physical Review Letters (2026). https://journals.aps.org/prl/accepted/10.1103/dj21-gmdj.
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