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  • 18/04/2018

Física

Las correlaciones cuánticas invierten la flecha termodinámica del tiempo

Un experimento reciente muestra que la mecánica cuántica puede hacer que el calor fluya de un cuerpo frío a uno caliente, una violación aparente (pero no real) de la segunda ley de la termodinámica.

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El entrelazamiento cuántico permite una violación aparente de la segunda ley de la termodinámica, pero al mismo tiempo explica por qué tal infracción no se produce realmente [Guedda Hassan Mohamed, fragmento].

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Se supone que hay leyes que no se violan nunca. Piénsese en la segunda ley de la termodinámica, que afirma que la entropía (una medida del desorden) no disminuye nunca en un sistema aislado. El vidrio se rompe, la nata se dispersa en el café, los huevos se quedan revueltos, pero nunca al revés. Por eso el calor siempre pasa de lo caliente a lo frío: de esa forma aumenta la entropía del conjunto. Es una ley tan fundamental para nuestra realidad física que algunos físicos creen que a ella se debe el aparente fluir del tiempo.

Sin embargo, los sistemas cuánticos, como siempre, se las apañan para introducir excepciones desconcertantes de reglas que parece que no admiten excepciones. Un equipo de físicos ha logrado que el calor fluya espontáneamente desde un objeto cuántico frío hacia una caliente. El experimento subraya la íntima relación entre información, entropía y energía que se explora en el naciente campo de la termodinámica cuántica.

El equipo, que trabaja en Brasil, tomó una molécula que consistía en un átomo de carbono, un átomo de hidrógeno y tres de cloro. Generaron entonces un campo magnético que alineaba los espines nucleares de las dos partículas cuánticas, o cúbits (los núcleos de carbono e hidrógeno). Esto hizo que los núcleos se «entrelazasen», o correlacionasen, convirtiéndolos así en un todo único e inseparable, un estado cuántico de dos cúbits.

Fueron estas correlaciones las que hicieron posible el desconcertante comportamiento.

Tradicionalmente, la entropía mide el número de configuraciones diferentes en que puede estar un sistema. Si es clásico, su entropía es igual a la suma de las entropías de cada una de sus partes.

En el mundo cuántico, las correlaciones afectan a la entropía. Un sistema de dos cúbits puede encontrarse en uno de cuatro estados posibles (denotados 00, 01, 10 y 11) y su entropía se define por la probabilidad de que esté en cada uno de esos estados. Comparando la entropía de los cúbits individuales con la del sistema correlacionado, los investigadores pudieron medir el grado de correlación.

El experimento empieza con las dos partículas fuertemente correlacionadas. A medida que el experimento progresa, las partículas se van desentrelazando gradualmente y la correlación se debilita. «Eso significa que la suma de las entropías individuales decrece», dice Kaonan Micadei, investigador de la Universidad Federal de ABC, en Sao Paulo, Brasil, quien participó en el estudio.

Si la entropía total hubiese disminuido bruscamente en un sistema regular, sin correlacionar, habría violado la segunda ley de la termodinámica. Pero aquí los investigadores tomaron en cuenta la correlación. El debilitamiento de la correlación viene a ser como «un combustible que impulsase el calor desde el cuerpo más frío al más caliente», dice David Jennings, físico del Colegio Imperial de Londres. El cúbit frío se enfría, el caliente se calienta. En otras palabras, el calor fluye de lo frío a lo caliente. Ocurre a causa de un «toma y daca entre las correlaciones y la entropía», dice Roberto Serra, físico de la Universidad Federal de ABC y el que ha dirigido el grupo de investigación que ha hecho el estudio.

La operación invierte a todos los efectos la flecha del tiempo, al menos en ese sistema aislado. «La flecha termodinámica del tiempo se basa en la idea de que la entropía de un sistema cerrado solo puede incrementar o permanecer constante, pero nunca decrecer», dice Micadei. «Al crear en un laboratorio un sistema aislado en el que la entropía decrece, la flecha del tiempo debería apuntar en el sistema en la dirección opuesta».

El resultado muestra que «la flecha del tiempo no es un concepto absoluto; depende mucho de la elección de las condiciones iniciales, así que es relativo», dice Serra.

El efecto se había predicho, pero esta ha sido la primera vez que se ha logrado la inversión en un sistema físico. «Es un hermosa demostración experimental de un efecto físico conocido desde hace mucho», dice Seth Lloyd, físico del Instituto de Tecnología de Massachusetts y experto en información cuántica.

Los investigadores venían jugando con la flecha del tiempo desde tiempo atrás. En 2012, un equipo de ESPCI ParisTech y el CNRS, en Francia, forzaron a unas ondas en el agua a volver sobre sus pasos, invirtiendo así la descripción matemática en el tiempo. Y en 2016 otro equipo verificó una fórmula universal para distinguir la dirección de la flecha del tiempo por medio de un punto cuántico.

Si bien este artículo de ahora no nos acercará a construir una máquina del tiempo, sí podría tener consecuencias importantes en el mundo real. Mauro Paternostro, físico de la Universidad de la Reina en Belfast, investiga la forma de valerse de efectos similares para crear bombas de calor cuánticas que tengan una eficiencia increíblemente alta. «Las oportunidades ofrecidas por una termomáquina cuántica a gran escala serían increíblemente mayores que las de las versiones microscópicas», dice.

El trabajo podría influir también en la manera de pensar sobre los orígenes del universo. Un problema pertinaz de la cosmología es el de por qué empezó el universo en una configuración con una entropía suficientemente baja para que haya podido crecer a lo largo de la historia del cosmos (y, cabe presumir, permitiendo así que el tiempo corra). Al conectar la entropía y el entrelazamiento, Serra espera que el experimento pueda tener «consecuencias estimulantes» para el debate sobre la flecha cosmológica del tiempo.

Katia Moskvitch / Quanta Magazine

Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con permiso de QuantaMagazine, publicación independiente promovida por la Fundación Simons para potenciar la comprensión de la ciencia.

Referencia: «Reversing the thermodynamic arrow of time using quantum correlations», de Kaonan Micadei et al. en arXiv,  arXiv:1711.03323 [quant-ph]

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