¡Violando las leyes de la termodinámica! Estamos ante una reversión espontánea del tiempo. ¿Cómo lo han conseguido?

Las leyes de la física parecen ser inmutables, ¿verdad?. Pues un equipo de investigadores del MIPT, el Instituto de Física y Tecnología de Moscú , (Rusia) junto con expertos de Estados Unidos y Suiza han logrado desplazar un computador cuántico una fracción de segundo hacia el pasado.

También calcularon la probabilidad de que un electrón en el espacio interestelar vacío regrese espontáneamente a su pasado reciente. Los resultados han sido publicados en la revista Scientific Reports.

“Este documento forma parte 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 un solo sentido: del pasado al futuro, “comentó el autor principal del estudio, Gordey Lesovik, quien dirige el Laboratorio de Física de la Tecnología de la Información Cuántica en MIPT.

La segunda ley de la termodinámica se resume en que la entropía (la medida del desorden de un sistema) de cualquier sistema aislado no puede menguar espontáneamente, con el sistema evolucionando hacia un estado de máxima entropía o desorden máximo.

Esta segunda ley es la que impide, por ejemplo, que existan las máquinas de movimiento perpetuo.

“Comenzamos describiendo una máquina de movimiento perpetuo local del segundo tipo.

Luego, en diciembre, publicamos un documento que analiza la violación de la segunda ley a través de un dispositivo llamado demonio de Maxwell”, dijo Lesovik.

“El artículo más reciente aborda el mismo problema desde un tercer ángulo: hemos creado artificialmente un estado que evoluciona en una dirección opuesta a la de la flecha termodinámica del tiempo”.

La mayoría de las leyes de la física no hacen distinción entre el futuro y el pasado.

Respecto a la segunda ley de la termodinámica, la naturaleza de la misma no se ha explicado en detalle, pero los investigadores han avanzado mucho en la comprensión de los principios básicos que la respaldan.

Los físicos cuánticos rusos decidieron verificar si el tiempo podía revertirse espontáneamente al menos para una partícula individual y una pequeña fracción de segundo.

Examinaron un electrón solitario en el espacio interestelar vacío.

“Supongamos que el electrón está localizado cuando comenzamos 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 situado”, dice Andrey Lebedev, coautor del estudio.

El físico explica que la evolución del estado electrónico se rige por la ecuación de Schrödinger.

Aunque no hace distinción entre el futuro y el pasado, la región del espacio que contiene el electrón se expandirá muy rápidamente.

Es decir, el sistema tiende a volverse más caótico. La incertidumbre de la posición del electrón está creciendo.

Esto es análogo al creciente desorden en un sistema a gran escala, como una mesa de billar, debido a la segunda ley de la termodinámica.

“Sin embargo, la ecuación de Schrödinger es reversible”, agrega Valerii Vinokur, coautora del trabajo.

“Matemáticamente, significa que, bajo cierta transformación, llamada conjugación compleja, la ecuación describirá una ‘Localización de electrones en una pequeña región del espacio durante el mismo período de tiempo”.

Aunque este fenómeno no se observa en la naturaleza, en teoría podría ocurrir debido a una fluctuación aleatoria en el fondo cósmico de microondas que impregna el universo.

El equipo se dispuso a calcular la probabilidad de observar un electrón “manchado” en una fracción de segundo, localizándose espontáneamente en su pasado reciente.

Resultó que incluso si uno pasara toda la vida del universo (13.700 millones de años) observando 10.000 millones de electrones localizados cada segundo, la evolución inversa del estado de la partícula solo ocurriría una vez.

E incluso en ese caso, el electrón no viajaría más que una simple diez mil millonésima de segundo hacia el pasado.

Los fenómenos a gran escala que involucran volcanes, por ejemplo, obviamente se desarrollan en escalas de tiempo mucho mayores y cuentan con un número asombroso de electrones y otras partículas.

Esto explica por qué no observamos que las personas mayores se estén volviendo más jóvenes o una mancha de tinta que se separa del papel.

Los investigadores intentaron posteriormente revertir el tiempo en un experimento de cuatro etapas.

En lugar de un electrón, observaron el estado de un computador cuántico formada por dos y más tarde tres elementos básicos llamados qubits superconductores.

Etapa 1: Orden. Cada qubit se inicializa en el estado fundamental, denotado como cero, que se corresponde a un electrón localizado en una pequeña región.

Etapa 2: Degradación. El orden se pierde. Al igual que el electrón se mancha en una región cada vez más grande del espacio y el estado de los qubits se convierte en un patrón cambiante cada vez más complejo de ceros y unos.

Etapa 3: Inversión de tiempo. Un programa especial modifica el estado del computador cuántico de tal manera que evolucione “hacia atrás”, desde el caos hacia el orden.

Esta operación es similar a la fluctuación aleatoria del fondo de microondas en el caso del electrón, pero esta vez se induce deliberadamente.

Etapa 4: Regeneración. Se lanza nuevamente el programa de evolución de la segunda etapa, esto no da lugar a más caos, sino que rebobina el estado de los qubits al pasado, a la forma en que un electrón manchado se localizaría.

Los investigadores encontraron que en el 85% de los casos, el computador cuántico de dos qubits regresó al estado inicial.

Cuando se involucraron tres qubits, ocurrieron más errores, lo que resultó en una tasa de éxito de aproximadamente 50%.

Según los autores, estos errores se deben a imperfecciones en el computador cuántico real.

A medida que se diseñen dispositivos más sofisticados, se espera que la tasa de error disminuya.

Curiosamente, el algoritmo de inversión de tiempo en sí mismo podría resultar útil para hacer que los computadores cuánticos sean más precisos.

“Nuestro algoritmo podría actualizarse y usarse para probar programas escritos para computadoras cuánticas y eliminar el ruido y los errores”, explicó Lebedev.

Fuente: ABC

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