Experimento mental permite cargar baterías cuánticas dentro de una computadora cuántica

Una técnica para cargar una batería dentro de una computadora cuántica se basa en clasificar qubits en una imitación del demonio de Maxwell, un experimento mental del siglo XIX que alguna vez se pensó que rompía las leyes de la física.

Un experimento mental del siglo XIX, que durante décadas se consideró que rompía las leyes de la termodinámica, cobró vida dentro de una computadora cuántica y se utilizó para cargar una batería cuántica.

El físico James Clerk Maxwell imaginó su demonio en 1867 mientras pensaba en cómo burlar las leyes de la termodinámica.

Consideró dos cajas de gas separadas por una puerta ingrávida y un pequeño demonio que controla qué partículas pueden atravesarla.

El demonio usa este control para calentar una caja y enfriar la otra, contradiciendo el edicto termodinámico de que el calor debe fluir de la caja más caliente a la más fría hasta que finalmente se igualen.

Más tarde, los físicos se dieron cuenta de que el demonio no podía romper las leyes termodinámicas “gratis” porque gastaría energía durante su proceso de selección de partículas, pero la idea siguió siendo interesante porque puede ocurrir naturalmente en biología y tiene usos en química.

“La exploración del demonio de Maxwell en un entorno cuántico nos obliga a pensar profundamente sobre lo que hay detrás de las leyes fundamentales de la información cuántica, la termodinámica y especialmente su combinación: la termodinámica cuántica“, dice Bill Munro del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa en Japón.

Él y sus colegas utilizaron una computadora cuántica que consta de 62 bits cuánticos, o qubits, fabricados a partir de circuitos superconductores para explorar tales “efectos demoníacos“: más qubits de los que se han utilizado nunca antes para implementar el demonio de Maxwell.

Munro y sus colegas dividieron los qubits en dos grupos dentro de una computadora cuántica, y cada grupo representaba una de las cajas de Maxwell.

Luego implementaron un procedimiento demoníaco que utilizó pulsos de microondas para obligar a un grupo a contener qubits más energéticos y al otro a contener qubits mucho menos energéticos.

De esta manera, los investigadores construyeron efectivamente una batería cuántica, o un dispositivo que utiliza procesos cuánticos para llenarse de energía.

Se cree que las baterías cuánticas son una prometedora tecnología energética de carga rápida del futuro, pero hasta ahora sólo se han explorado en teoría y en modestos experimentos de prueba de concepto.

Aquí, los investigadores pudieron evaluar el efecto del demonio en su batería real.

Descubrieron que el demonio era mucho más rápido a la hora de cambiar la temperatura (lo que apunta a un cambio de energía) de los dos subsistemas que un protocolo de carga de batería más convencional.

También verificaron que su experimento siguió una versión modificada de la segunda ley de la termodinámica cuántica que explica explícitamente la naturaleza cuántica de los qubits.

Esta cuántica es la principal novedad del experimento, afirma Mauro Paternostro de la Queen’s University de Belfast, en el Reino Unido.

El experimento incluyó suficientes qubits para exhibir los llamados efectos cuánticos de muchos cuerpos, que se cree que afectan fundamentalmente cómo los qubits pueden, o no, alcanzar un estado de temperatura de equilibrio.

La otra característica interesante, dice, es que esta versión del demonio de Maxwell realiza mediciones cuánticas para clasificar qubits, y “el acto de medir algo mecánicamente cuánticamente es tan violento, tan fuerte, que realmente afecta fundamentalmente su estado“.

En otras palabras, el nuevo demonio no sólo mide qubits para clasificarlos, sino que cambia sus estados en el proceso, lo que mejora su capacidad para cargar una batería cuántica.

“James Maxwell no anticipó esto en el siglo XIX”, dice Munro.

Fuente: New Scientist