Un equipo internacional de investigadores ha conseguido en laboratorio algo que hasta ahora parecía imposible: hacer que el tiempo en una computadora cuántica avance hacia el pasado. Los físicos también lograron calcular la probabilidad de que, de forma natural, un electrón libre en el vacío del espacio interestelar “regrese”, de forma espontánea, a su pasado reciente. Los impactantes resultados de este trabajo, que se publicarán en Scientific Reports, ya pueden consultarse en arxiv.org.

La inversión del tiempo
La inversión del tiempo

“Este es uno de una serie de artículos sobre la posibilidad de violar la Segunda Ley de la Termodinámica -explica Gordey Lesovik, autor principal de la investigación-. Dicha ley está estrechamente relacionada con la noción de la flecha del tiempo, y obliga a que el tiempo fluya en un solo sentido: del pasado hacia el futuro.”

“Comenzamos describiendo la llamada máquina de movimiento perpetuo local del segundo tipo -prosigue Lesovik-. Más tarde, en diciembre, publicamos un segundo documento que analiza la violación de la segunda ley a través de un dispositivo llamado demonio de Maxwell. Y el presente artículo, el 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”. Es decir, que evoluciona hacia el pasado en lugar de hacia el futuro.

¿En qué se diferencian pasado y futuro?

La pregunta puede tener varias respuestas, según quien y en qué contexto la formule. Pero desde un punto de vista estrictamente científico, el pasado y el futuro se parecen tanto que pueden llegar a ser intercambiables. De hecho, la mayor parte de las leyes de la Física no admiten distinciones temporales, y funcionan exactamente igual con independencia de que el tiempo esté avanzando o retrocediendo.

Por ejemplo, si grabamos en vídeo la colisión y el rebote de dos bolas de billar idénticas y pasamos después la cinta al revés, ambas versiones, la que avanza hacia el futuro y la que retrocede en el pasado, podrán describirse con la misma ecuación. Y aún más, basándose solo en el vídeo, nadie podría decir en qué sentido iba el tiempo durante la grabación. Sería como si las bolas de billar estuvieran desafiando nuestra intuición natural sobre hacia dónde está avanzando el tiempo.

Sin embargo, imagine ahora que alguien graba el momento en que una bola de billar rompe la formación triangular donde están todas las demás bolas antes de empezar la partida, y las dispersa en todas direcciones. Aunque pasemos ese vídeo a la inversa, en este caso nadie tendrá la menor duda de cuál de las dos versiones se corresponde con la grabación original.

Lo que hace que en este segundo ejemplo la versión “marcha atrás” del vídeo sea tan absurda es nuestra comprensión intuitiva e innata de la Segunda Ley de la Termodinámica, según la que un sistema aislado o bien permanece cerrado, o bien evoluciona hacia un estado más caótico que el original, pero nunca hacia otro más ordenado.

Lo cierto es que, de por sí, las leyes de la Física no impiden que las bolas de la mesa se junten espontáneamente para formar un triángulo, ni que el té que se ha disuelto en el agua vuelva solo a la bolsa, ni que la lava fluya hacia el interior del cráter de un volcán en lugar de manar de él durante una erupción. Sin embargo, a lo largo de nuestra vidas no vemos que suceda nada de eso, porque significaría que un sistema aislado puede asumir, sin intervención externa alguna, un estado más ordenado que el inicial, lo que va en contra de la segunda ley.

Y si bien es cierto que la naturaleza íntima de esa ley no ha sido aún explicada en detalle, también lo es que los investigadores han avanzado mucho en la comprensión de los principios básicos que la respaldan.

Un electrón solitario

Durante su experimento, los autores de este trabajo cambiaron la bola de billar por un electrón solitario en medio del inmenso vacío del espacio interestelar. Se trataba de verificar si, por lo menos para una partícula individual, el tiempo podía revertirse espontáneamente, de forma natural y aunque fuera solo durante una pequeña fracción de segundo.

“Supongamos que el electrón está bien localizado cuando comenzamos a observarlo -afirma Andrey Lebedev, coautor del estudio-. Esto significa que estamos bastante seguros de su posición en el espacio. Es cierto que las leyes de la mecánica cuántica nos impiden saber dónde está con absoluta precisión, pero podemos delinear una pequeña región en cuyo interior el electrón está localizado”.

El físico explica que la evolución del estado electrónico se rige por la ecuación de Schrödinger. Y aunque la ecuación en sí no hace distinciones entre el futuro y el pasado, la región del espacio que contiene el electrón se expandirá muy rápidamente. Es decir, el sistema tenderá a volverse más caótico, lo que aumentará el grado de incertidumbre sobre la posición del electrón. En otras palabras, debido a la Segunda Ley de la Termodinámica, el desorden del sistema será cada vez mayor, exactamente lo mismo que sucede en nuestra mesa de billar.

“Sin embargo -añade por su parte Valerii Vinokur, coautora del artículo- resulta que la ecuación de Schrödinger es reversible. Lo cual, matemáticamente hablando, significa que bajo un cierto tipo de transformaciones, la ecuación describirá un electrón “difuso”, localizado algo atrás en el tiempo pero en la misma y pequeña región del espacio que ocupa en el tiempo presente”. Aunque este fenómeno no se observa en la naturaleza, en teoría podría ocurrir debido a las fluctuaciones aleatorias del fondo cósmico de microondas (la radiación residual del Big Bang) que impregna todo el Universo.

En otras palabras, el equipo pretendía calcular la probabilidad de observar un electrón “difuso” en un pequeño lapso de tiempo, apenas una fracción de segundo, y comprobar si ese electrón podía materializarse después espontáneamente en su pasado reciente. El resultado fue que la probabilidad de que algo así suceda de forma natural y espontánea es mínima.

Los científicos, en efecto, calcularon que incluso si uno se pasara toda la vida del universo (13.700 millones de años) observando 10.000 millones de electrones por cada segundo de ese inmenso lapso de tiempo, 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.

Obviamente, los fenómenos a gran escala que involucran bolas de billar, volcanes, etc, objetos formados por billones de partículas y no por una sola, se desarrollan en escalas de tiempo incluso mucho mayores. Lo cual explica por qué no observamos situaciones en las que las personas mayores, por ejemplo, se estén volviendo más jóvenes o en las que un huevo recién frito se “desfría” por sí mismo para volver, intacto, al interior de su cáscara.

Revertir el tiempo «a la carta»

Quedaba muy claro, pues, que las probabilidades de observar algún fenómeno natural, por diminuto que fuera, cambiando espontáneamente la flecha del tiempo para avanzar hacia el pasado, quedaba prácticamente descartada. Ahora bien, sería posible forzar de alguna forma la situación para conseguir que, en laboratorio, el tiempo corriera hacia atrás?

Para averiguarlo, los investigadores idearon un ingenioso experimento en cuatro fases para revertir el tiempo. Y en lugar de un electrón, decidieron observar el estado de una computadora cuántica formada primero por dos y después por tres bits cuánticos (qubits) superconductores.

Fase 1: Orden

Cada qubit se inicia en su estado fundamental (cero). Se trata de una configuración altamente ordenada y que se corresponde con la de un electrón localizado en una pequeña región de espacio o con las bolas de una mesa de billar perfectamente colocadas antes de la partida.

Fase 2: Degradación

El orden inicial se pierde. Del mismo modo en que el electrón se difumina en una región de espacio que es cada vez más grande, o que las bolas de billar rompen su formación triangular para rebotar por toda la mesa, el estado de los Qubits se convierte en un patrón cambiante y cada vez más complejo de ceros y unos. Lo cual se consigue poniendo en marcha brevemente el programa de evolución en la computadora cuántica. En realidad, la misma degradación habría ocurrido por si misma debido a las interacciones con el medio ambiente y sin necesidad de ejecutar programa alguno. Sin embargo, el uso del software de evolución autónoma controlada era necesario para permitir la última fase del experimento.

Fase 3: Inversión temporal

Un software especial modifica nuevamente el estado de la computadora cuántica de forma que ésta evolucione “hacia atrás”, desde una situación caótica a otra más ordenada. La operación es equivalente a la fluctuación aleatoria del fondo de microondas en el ejemplo del electrón, con la diferencia de que se induce deliberadamente. En el ejemplo del billar, sería como si alguien le diera a la mesa una patada perfectamente calculada para obtener un resultado concreto, en este caso reordenar las bolas.

Fase 4: Regeneración

Se activa de nuevo el programa de evolución de la Fase 2. Si se hace bien, esto no produce más caos, sino que “rebobina “ el estado que tenían los qubits en el pasado, la forma en que un electrón “difuso” se localizaría o el modo en que las bolas de billar regresan sobre sus trayectorias para volver a disponerse en un triángulo perfecto.

Los investigadores hallaron que en el 85 por ciento de los casos la computadora cuántica de dos qubits regresaba al estado inicial. Cuando se involucraron tres qubits en vez de dos, ocurrieron más errores, lo que resultó en una tasa de éxito de aproximadamente el 50 por ciento. Según los autores, estos errores se deben a imperfecciones en la computadora cuántica real. A medida que se diseñen dispositivos más sofisticados, se espera que la tasa de error disminuya.

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