Investigadores logran invertir el flujo del tiempo cuántico en un hallazgo sorprendente

Investigadores del Laboratorio Nacional de Los Álamos dieron un paso significativo en la manipulación del tiempo cuántico, logrando que un sistema se comporte como si el tiempo fluyera hacia atrás. Este hallazgo, publicado en la revista Physical Review X, introduce protocolos de control cuántico que reconfiguran la "flecha del tiempo", un concepto que establece que el tiempo avanza en una única dirección.

Los sistemas cuánticos, como un grupo de qubits, siguen las reglas de la mecánica cuántica, que permiten que los movimientos hacia adelante y hacia atrás en el tiempo sean físicamente posibles. Mediante la implementación de nuevos protocolos de control, los investigadores suprimieron la aparición habitual de la flecha del tiempo, logrando que los procesos cuánticos parecieran desarrollarse en dirección opuesta.

Para demostrar esta técnica, el equipo creó un motor de medición capaz de cosechar energía a partir del acto de realizar mediciones cuánticas. El físico Luis Pedro García-Pintos del Laboratorio Nacional de Los Álamos explicó: "A nivel microscópico, la mayoría de las leyes fundamentales de la física son simétricas respecto a la reversibilidad del tiempo; las ecuaciones funcionan igual si se invierte el tiempo".

Ingeniería del Comportamiento Cuántico Inverso

En la física clásica, realizar una medición tiene poco efecto en el objeto observado, mientras que en los sistemas cuánticos, medirlos altera aleatoriamente su estado, creando así una flecha del tiempo. Para contrarrestar este efecto, los investigadores combinaron mediciones con retroalimentación para producir trayectorias estocásticas en reversa. Esto permitió que los sistemas cuánticos siguieran caminos coherentes con un tiempo que fluye hacia atrás.

El equipo diseñó un Hamiltoniano de control, una secuencia planificada de campos y pulsos que reproduce los efectos de las mediciones cuánticas. Al incorporarlo a un sistema de retroalimentación, el Hamiltoniano puede cancelar, reforzar o incluso sobrecorregir las perturbaciones causadas por las mediciones, generando trayectorias que corresponden a flechas del tiempo estiradas, difusas o invertidas.

Una Versión Cuántica del Demonio de Maxwell

Este trabajo también se basa en el famoso experimento mental del siglo XIX conocido como "el demonio de Maxwell", en el que un observador hipotético selecciona partículas calientes y frías, desafiando la segunda ley de la termodinámica. El "demonio" cuántico del equipo de Los Álamos utiliza información sobre el estado de un sistema cuántico y los resultados de las mediciones para producir comportamientos inusuales, invirtiendo efectivamente la flecha natural del tiempo del sistema.

Extracción de Energía de Mediciones Cuánticas

Los nuevos métodos de control también permiten a los investigadores influir en cómo se mueve la energía dentro y fuera de un sistema cuántico. Esta capacidad podría alimentar un motor de medición continuo que extrae energía útil directamente del proceso de monitoreo. En este marco, las mediciones cuánticas se convierten en un recurso termodinámico que puede aprovecharse para realizar trabajo, como impulsar otro proceso cuántico o almacenar energía en una batería cuántica.

De cara al futuro, los investigadores planean demostrar experimentalmente los procesos de medición basados en Hamiltonianos para el control cuántico retroalimentado utilizando qubits superconductores. Estos sistemas permiten una retroalimentación rápida y una detección altamente eficiente, y ya se han utilizado para implementar versiones cuánticas del demonio de Maxwell. Los estudios futuros también aplicarán estas nuevas técnicas para desarrollar protocolos mejorados de preparación de estados cuánticos.

Este trabajo recibió apoyo del Departamento de Energía de EE.UU., la Oficina de Ciencia, el programa de Investigación Científica Avanzada, el proyecto Beyond Moore's Law del Programa de Simulación y Computación Avanzada en Los Álamos, y la Fundación Nacional de Ciencia.

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