Los Físicos Invierten El Tiempo Utilizando Una Computadora Cuántica

Tiempo inverso

Investigadores del Instituto de Física y Tecnología de Moscú se unieron a colegas de EE. UU. Y Suiza y devolvieron el estado de una computadora cuántica en una fracción de segundo al pasado. También calcularon la probabilidad de que un electrón en el espacio interestelar vacío viaje espontáneamente hacia su pasado reciente.

“Este es uno 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 unidireccional del tiempo: del pasado al futuro ”, comentó el autor principal del estudio Gordey Lesovik, quien dirige el Laboratorio de Física de Tecnología de la Información Cuántica. en MIPT.

“Comenzamos describiendo una máquina de movimiento perpetuo local del segundo tipo. Luego, en diciembre, publicamos un artículo 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”.

¿Qué hace que el futuro sea diferente del pasado?

La mayoría de las leyes de la física no distinguen entre el futuro y el pasado. Por ejemplo, deje que una ecuación describa la colisión y el rebote de dos bolas de billar idénticas. Si se graba un primer plano de ese evento con una cámara y se reproduce al revés, aún se puede representar con la misma ecuación. Además, por la grabación no se puede saber si ha sido manipulado. Ambas versiones parecen plausibles. Parecería que las bolas de billar desafían el sentido intuitivo del tiempo.

Sin embargo, imagina que alguien ha grabado una bola blanca rompiendo la pirámide, las bolas de billar dispersándose en todas direcciones. No es necesario conocer las reglas del juego para diferenciar el escenario de la vida real de la reproducción inversa. Lo que hace que esto último parezca tan absurdo es nuestra comprensión intuitiva de la segunda ley de la termodinámica: un sistema aislado permanece estático o evoluciona hacia un estado de caos en lugar de orden.

La mayoría de las demás leyes de la física no impiden que las bolas de billar rodantes se armen en una pirámide, que el té infundido fluya de regreso a la bolsa de té o que un volcán “haga erupción” al revés. Pero no vemos que ocurra nada de esto, porque eso requeriría que un sistema aislado asumiera un estado más ordenado sin ninguna intervención externa, lo que va en contra de la segunda ley. La naturaleza de esa ley no se ha explicado con todo detalle, pero los investigadores han logrado grandes avances en la comprensión de los principios básicos que la sustentan.

Inversión temporal espontánea

Los físicos cuánticos de MIPT decidieron comprobar si el tiempo podía invertirse espontáneamente al menos para una partícula individual y durante una pequeña fracción de segundo. Es decir, en lugar de chocar bolas de billar, 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 se localiza el electrón ”, dice el coautor del estudio Andrey Lebedev de MIPT y ETH Zurich.

El físico explica que la evolución del estado del electrón se rige por la ecuación de Schrödinger. Aunque 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 tiende a volverse más caótico. La incertidumbre de la posición del electrón está aumentando. 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, coautor del artículo, del Laboratorio Nacional Argonne, EE. UU. “Matemáticamente, significa que bajo una cierta transformación, llamada conjugación compleja, la ecuación describirá un ‘electrón localizándose de nuevo en una pequeña región del espacio durante el mismo período de tiempo “. Aunque este fenómeno no se observa en la naturaleza, teóricamente podría suceder debido a una fluctuación aleatoria en el fondo cósmico de microondas que impregna el universo.

El equipo se propuso calcular la probabilidad de observar un electrón “manchado” durante una fracción de segundo localizándose espontáneamente en su pasado reciente. Resultó que incluso si uno pasaba toda la vida del universo (13,7 mil millones de años) observando 10 mil millones de electrones recién localizados cada segundo, la evolución inversa del estado de la partícula solo ocurriría una vez. E incluso entonces, el electrón no viajaría más de una mera diez mil millonésima de segundo hacia el pasado.

Los fenómenos a gran escala que involucran bolas de billar, volcanes, etc. obviamente se desarrollan en escalas de tiempo mucho mayores y presentan una cantidad asombrosa de electrones y otras partículas. Esto explica por qué no observamos que los ancianos se rejuvenezcan o que una mancha de tinta se separe del papel.

Inversión del tiempo bajo demanda

Luego, los investigadores intentaron revertir el tiempo en un experimento de cuatro etapas. En lugar de un electrón, observaron el estado de una computadora cuántica compuesta por dos y más tarde tres elementos básicos llamados qubits superconductores.

experimento de cuatro etapas

Las cuatro etapas del experimento real en una computadora cuántica reflejan las etapas del experimento mental que involucra un electrón en el espacio y la analogía imaginaria con bolas de billar. Cada uno de los tres sistemas evoluciona inicialmente desde el orden hacia el caos, pero luego una perturbación externa perfectamente sincronizada invierte este proceso.

Etapa 1: Orden. Cada qubit se inicializa en el estado fundamental, denotado como cero. Esta configuración altamente ordenada corresponde a un electrón localizado en una pequeña región, o un estante de bolas de billar antes del descanso.

Etapa 2: Degradación. Se pierde el orden. Al igual que el electrón se esparce sobre una región cada vez más grande del espacio, o el estante se rompe en la mesa de billar, el estado de los qubits se vuelve un patrón cambiante cada vez más complejo de ceros y unos. Esto se logra lanzando brevemente el programa de evolución en la computadora cuántica. En realidad, una degradación similar se produciría por sí sola debido a las interacciones con el medio ambiente. Sin embargo, el programa controlado de evolución autónoma permitirá la última etapa del experimento.

Etapa 3: Inversión del tiempo. Un programa especial modifica el estado de la computadora cuántica de tal manera que luego evolucionaría “hacia atrás”, desde el caos hacia el orden. Esta operación es similar a la fluctuación aleatoria de fondo de microondas en el caso del electrón, pero esta vez es inducida deliberadamente. Una analogía obviamente descabellada para el ejemplo del billar sería que alguien le dé a la mesa una patada perfectamente calculada.

Etapa 4: Regeneración. Se vuelve a lanzar el programa de evolución de la segunda etapa. Siempre que la “patada” se haya dado con éxito, el programa no genera más caos, sino que rebobina el estado de los qubits hacia el pasado, la forma en que se localizaría un electrón manchado o las bolas de billar volverían sobre sus trayectorias al revés reproducción, formando finalmente un triángulo.

Los investigadores encontraron que en el 85 por ciento de los casos, la computadora cuántica 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 el 50 por ciento. Según los autores, estos errores se deben a imperfecciones en la computadora cuántica real. A medida que se diseñan dispositivos más sofisticados, se espera que disminuya la tasa de error.

Curiosamente, el algoritmo de inversión del tiempo en sí mismo podría resultar útil para hacer que las computadoras cuánticas sean más precisas. “Nuestro algoritmo podría actualizarse y usarse para probar programas escritos para computadoras cuánticas y eliminar el ruido y los errores”, explicó Lebedev.

El estudio se publica en Scientific Reports .

El estudio reportado en esta historia fue realizado por investigadores de MIPT (Gordey Lesovik, Andrey Lebedev, Mikhail Suslov), ETH Zurich (Andrey Lebedev) y Argonne National Laboratory, EE. UU. (Valerii Vinokur, Ivan Sadovskyy).

Imágenes: @ tsarcyanide / MIPT Press Office

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