Del caos al orden: físicos logran “revertir el tiempo” en una computadora cuántica de IBM

6 qubits. Esta imagen no tiene relación con el estudio / IBM Research

Se dice que si viajamos en el tiempo solo podríamos hacerlo hacia el futuro y no al pasado; esto evitaría crear paradojas en el tiempo (como las vistas en Dark de Netflix). Pero, ¿es posible hacerlo? Pues un equipo de investigadores acaba de calcular la probabilidad de que esto suceda: primero usando un electrón en el espacio interestelar vacío que regrese espontáneamente a un pasado reciente y luego con ayuda de un sistema cuántico que vuelve a su estado inicial en una computadora cuántica de IBM. Los detalles del estudio fueron publicados en Scientific Reports.

"Este es uno de una serie de artículos sobre la posibilidad de violar la segunda ley de la termodinámica. Esa ley está estrechamente relacionada con la noción de la flecha del tiempo que postula la dirección del tiempo en sentido único desde el pasado al futuro", expresó el autor principal del estudio, Gordey Lesovik, que también dirige el Laboratorio de Física de la Tecnología de la Información Cuántica en el Instituto de Física y Tecnología de Moscú (MIPT, por sus siglas en inglés).

Futuro y pasado

La mayoría de las leyes en física no distinguen entre el futuro y el pasado. Por ejemplo, imagina dos bolas de billar idénticas chocando una con otra y usa una ecuación para describir su movimiento. Si grabas este evento y luego lo reproduces en reversa, todavía podrías describir lo que ves con la misma ecuación. Es más, no podrías distinguir si la grabación fue o no manipulada; ambas versiones del mismo evento parecen reales.

Ahora imagina que tienes 10 bolas de billar organizadas en un triángulo y disparas otra bola contra ellas. Si grabas este evento y, nuevamente, lo reproduces en reversa notarás la diferencia; ambas versiones son distinguibles. Hacer esto es posible gracias a la idea intuitiva que tienes sobre la segunda ley de la termodinámica: los sistemas aislados evolucionan hacia el caos, no hacia el orden. Las bolas de billar se dispersan al ser golpeadas y no al revés.

Sin embargo, muchas leyes en física no impiden que las bolas de billar se organicen por sí solas en un triángulo, que un plato roto junte sus partes y deje de estar roto, o que tu habitación se ordene por sí sola. Entonces, ¿por qué no ocurren? Porque implicaría que un sistema aislado puede llegar a un estado más ordenado sin intervención externa, lo que violaría la segunda ley de la termodinámica.

A pesar de todos los avances científicos, la naturaleza de esta ley aún no se comprenden a detalle; sin embargo, diversos estudios nos acercan más a una mejor compresión de los principios básicos que la respaldan.

Un pequeño electrón

En lugar de usar bolas de billar para su experimento, los físicos del MIPT idearon un experimental mental que consistía en un electrón solitario en el espacio interestelar vacío. El objetivo era verificar si el tiempo podría revertirse al menos para una partícula individual en una pequeña fracción de segundo.

"Supongamos que el electrón está localizado cuando comencemos a observarlo. Esto significa que estamos bastante seguros de su posición en el espacio. Las leyes de la mecánica cuántica nos impiden conocerlo con absoluta precisión, pero podemos delinear una pequeña región donde el electrón está localizado ", dice el coautor del estudio Andrey Lebedev del MIPT.

La evolución del estado de este electrón está gobernada por la ecuación de Schrodinger. Según Lebedev, aquí el sistema tenderá a volverse cada vez más caótico debido a que el espacio que contenía al electrón se expandirá rápidamente. La posición del electrón ganará mucha más incertidumbre. Esto es similar a lo que ocurren cuando el desorden aumenta en un sistema con muchos elementos, como una tabla de billar, debido a la segunda ley de la termodinámica.

Es importante mencionar que la ecuación de Schrodinger es reversible. Según Phys, Esto quiere decir que matemáticamente, “bajo una cierta transformada llamada conjugación compleja”, la ecuación describirá a una especie de nube de probabilidad del electrón (o como una mancha) que luego volverá a localizarse en una región pequeña del espacio durante el mismo periodo de tiempo.

Es importante mencionar que el fenómeno descrito anteriormente no se observa en la naturaleza. Sin embargo, en teoría podría ocurrir una fluctuación aleatoria en el fondo cósmico de microondas que impregna el universo, haciendo que esto suceda.

Calculando la probabilidad

Dicho lo anterior, el equipo se dispuso a calcular la probabilidad de observar como un electrón en una nube de probabilidad se localiza en una fracción de segundo en su pasado reciente.

Los resultados arrojaron que incluso en todo el periodo de vida de nuestro universo (13,7 mil millones de años) y observando más de 10 mil millones de electrones localizados, la evolución reversa del estado de esta partícula solo sucedería una vez. Y por si fuera poco, el electrón no viajaría más que una fracción igual que un segundo dividido entre diez mil millones (1/10.000.000.000 segundos) hacia el pasado.

Sistemas mucho más grandes como los que incluyen bolas de billar, platos rotos o habitaciones desordenadas cuentan con un número gigantesco de electrones. Esto explica por qué no observamos que las personas se vuelvan más jóvenes o que tu cabello disminuya su tamaño.

El experimento real

Ahora entremos al experimento en sí, aquel que fue realizado en una computadora cuántica de IBM y consiste de cuatro etapas. En lugar de un electrón en el espacio vacío observaron el estado de una computadora cuántica hecho de dos (y luego tres) elementos básicos que reciben el nombre de qubits superconductores.


Cuatro etapas del experimento. / @tsarcyanide/MIPT

La primera etapa se llamó Orden. Aquí cada qubit se colocaba en el estado fundamental, denotado como cero. A esta configuración altamente ordenada podríamos compararla con el electrón localizado en una pequeña región del espacio o un grupo de bolas de billar organizadas en un triángulo.

La siguiente etapa recibió del nombre de Degradación. Aquí el orden se pierde y el estado de los qubits se convierte en un patrón cambiante cada vez más complejo de ceros y unos. Esto es similar a cuando el electrón localizado se convirtió en una nube de probabilidad o cuando las bolas de billar se dispersaron. Para lograrlo, el equipo hizo correr un programa de evolución en la computadora cuántica.

En realidad la degradación podría suceder si se deja que el programa interaccione con su ambiente. Sin embargo, el “programa controlado de evolución autónoma” permite que se llegue a la cuarta etapa de este experimento.

La tercera etapa se llama Inversión del tiempo. Aquí se usa un programa especial que modifique el estado de la computadora cuántica, de tal manera que empiece a evolucionar hacia atrás, del caos hacia el orden. Esto es similar a que perturbemos externamente la tabla de billar de tal manera que las bolas empiecen a organizarse.

La cuarta y última etapa recibe el nombre de Regeneración. Aquí se lanza nuevamente el programa de evolución que se usó en la segunda etapa. Si el programa especial de la tercera etapa hizo bien su trabajo, entonces el sistema no irá hacia el caos sino que volverá a su estado inicial. Esto es similar a que las bolas de billar se vuelvan a organizar en un triángulo o que el electrón se vuelva a localizar en una región pequeña del espacio.

Los resultados muestran que en el 85% de los casos, la computadora cuántica volvió a su estado inicial. Sin embargo, este porcentaje se vio disminuido al agregar un qubit más, logrando una tasa de éxito de 50%. Según los autores del estudio, esto se debe a errores en la computadora cuántica real. Se espera que a medida que existan equipos más sofisticados, esta tasa de error disminuya.

Según Lebedev, el algoritmo de inversión del tiempo podría ser útil para hacer que las computadoras cuánticas sean mucho más precisas. "Nuestro algoritmo podría actualizarse y usarse para probar programas escritos para computadoras cuánticas y eliminar el ruido y los errores".

Esta no es la primera vez que los físicos juegan a violar la segunda ley de la termodinámica o a revertir la “flecha del tiempo”. Hace unos meses unos físicos elaboraron un sistema en el que, por ejemplo, un objeto frio calienta a un objeto muy caliente.

 

Adrian Díaz
Esta noticia ha sido publicada originalmente en N+1, ciencia que suma


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