Según nuestra experiencia diaria, el tiempo solo fluye en una dirección, la que va del presente al futuro, y desde hace mucho los físicos han intentado comprender por qué. En general, la irreversibilidad del tiempo en el mundo que nos rodea se atribuye a las leyes fundamentales de la Física. Pero resulta que esas leyes son simétricas en el tiempo, es decir, que funcionan igual hacia delante que hacia atrás.

La mecánica cuántica, en efecto, nos ha enseñado que por lo menos en teoría, invertir la “flecha” del tiempo es algo posible, aunque trasladar esa posibilidad a la realidad cotidiana requiere de escenarios tremendamente intrincados e inverosímiles. Situaciones que es muy poco probable que ocurran de forma espontánea en la Naturaleza.

A pesar de ello, los físicos han conseguido demostrar que, aunque revertir el tiempo es algo exponencialmente improbable en un entorno natural, sí que es posible diseñar algoritmos capaces de invertir la flecha del tiempo a un estado anterior conocido o dado, en el interior de una computadora cuántica. Esta versión de la flecha del tiempo invertida, sin embargo, sólo es aplicable a estados cuánticos conocidos, y sería por lo tanto el equivalente a rebobinar un vídeo para llevarlo a un momento anterior de la película que estamos viendo.

Ahora, un equipo de físicos de Estados Unidos y Rusia ha conseguido ir un paso más allá. En un artículo recién aparecido en “Nature Communications Physics”, A.V. Lebedev, V.M. Vinokur y sus colegas norteamericanos han conseguido desarrollar un método para revertir la evolución temporal de un estado cuántico desconocido y arbitrario. El trabajo abrirá nuevos caminos para que los algoritmos de los físicos puedan “enviar” la evolución temporal de un sistema arbitrario hacia atrás en el tiempo. Por el momento, el trabajo es teórico y se limita a describir el proceso matemático de inversión del tiempo. Los investigadores no llevaron a cabo ningún experimento práctico porque las computadoras cuánticas actuales no son aún lo suficientemente avanzadas.

Lo que entendemos por “tiempo”

Cuando hablamos de “flecha del tiempo”, lo que hacemos en realidad es expresar la dirección que sigue el devenir de los acontecimientos en relación con el segundo principio, o ley, de la Termodinámica, según el cual “la cantidad de entropía (o desorden) del Universo tiende a incrementarse en el tiempo”. Se trata de un principio irreversible, es decir, que hagamos lo que hagamos, no podemos evitar que el Universo esté cada vez más desordenado.

El segundo principio de la Termodinámica establece que el intercambio de calor es lo que hace que cualquier sistema, desde un ser vivo a una galaxia, evolucionen. Y cualquier sistema en evolución disipa energía, en forma de calor, al medio ambiente, lo que hace irremediablemente que la entropía general aumente. Para comprender este concepto, pensemos en una bañera dividida en dos partes por una compuerta.

En una mitad hay agua fría y en la otra agua caliente. Si abrimos la compuerta, el agua se mezclará, hasta que toda esté exactamente a la misma temperatura, esto es, en equilibrio térmico. Cuando esto sucede, cesa el intercambio de calor y, por lo tanto, también toda actividad. El universo, por su parte, es frío, pero está salpicado de galaxias calientes, formadas por estrellas, planetas… y por nosotros mismos. Pero igual que en el caso de la bañera, llegará un momento en que todo el Universo alcance el equilibrio térmico, es decir, su estado de máxima entropía. Cuando eso suceda, toda actividad, incluso la atómica, cesará para siempre y el tiempo, que no es más que una forma de medir esa actividad, dejará de existir.

Una idea para revertir el tiempo

En esta investigación, los físicos consideraron esa disipación de energía constante e inevitable de cualquier sistema en estrecha relación con el medio ambiente en el que ese sistema se encuentra. Lo que proponen es utilizar un “depósito termodinámico” a temperaturas finitas que forme un “baño” de alta entropía capaz de termalizar un sistema cuántico dado, aumentando o reduciendo experimentalmente y a voluntad el desorden térmico (la entropía) en el sistema.

Por desgracia, las actuales computadoras cuánticas no admiten la termalización, que es el primer paso necesario para la reversión temporal. En la teoría, sin embargo, la presencia del depósito térmico antes citado hizo posible la preparación de estados térmicos de alta temperatura en un sistema cuántico alternativo, situado en otro lugar pero gobernado por el mismo “hamiltoniano” (un operador que corresponde a la suma de energía cinética y energías potenciales de cada una de las partículas del sistema). Eso permitió a Lebedev y Vinokur idear matemáticamente un operador de evolución capaz de “ir hacia atrás” en el tiempo e invertir, por lo tanto, la dinámica cronológica del sistema cuántico.

Un algoritmo de inversión temporal

Los autores consideran que de esta forma, sería posible desarrollar un algoritmo de inversión de tiempo universal, capaz de “hacer correr el tiempo a la inversa” y averiguar así el estado de cualquier sistema en cualquier momento de su evolución.

El artículo, sin embargo, solo describe el análisis matemático de esa inversión temporal, sin especificar cómo deberían ser los experimentos. De hecho, la complejidad computacional requerida para ello está fuera del alcance de las actuales computadoras cuánticas, de modo que la demostración práctica de este trabajo requerirá una importante actualización de esas computadoras. Para ello, Lebedev y sus colegas proponen una serie de actualizaciones concretas en el diseño de los actuales chips cuánticos (llamados qubits), para convertirlos en “qubits térmicos” capaces de afrontar la tarea.

En su trabajo, los científicos desarrollaron también una fórmula para calcular el número de ciclos que deben repetirse para revertir el estado de un sistema dado hacia estados anteriores en el pasado. Ese número, según Lebedev y sus colegas, dependerá de la complejidad del sistema que se quiera revertir y de cuánto se supone que deberá retroceder ese sistema en el tiempo.

/psg