La flecha cuántica del tiempo se puede revertir, según demuestran los físicos

¿Y si el tiempo se invirtiera? Los físicos muestran cómo el tiempo podría retroceder en una escala cuántica

Por Stephanie Pappas editado por Jeanna Bryner

La flecha del tiempo avanza. Los huevos no se rompen; la leche no se derrama. Pero ahora una nueva investigación ha encontrado una manera de revertir esta flecha en un sistema cuántico, cambiando los eventos como si el tiempo fluyera hacia atrás.

Los hallazgos son actualmente teóricos, pero podrían probarse experimentalmente, dice Luis Pedro García-Pintos, físico del Laboratorio Nacional de Los Álamos y primer autor del nuevo estudio, publicado el 19 de febrero en la revista Physical Review X.

En última instancia, revertir el tiempo a nivel cuántico podría detener la pérdida de información que obstaculiza a las computadoras cuánticas, dice Andrea Rocco, física de la Universidad de Surrey en Inglaterra, que no participó en la investigación. “Esto sería inmediatamente una ventaja increíble en términos de la construcción de estas tecnologías cuánticas”.

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La idea de invertir el tiempo no es nueva. En el siglo XIX, al físico James Clerk Maxwell se le ocurrió un experimento mental para revertir la segunda ley de la termodinámica, que sostiene que la entropía total de un sistema (una medida del desorden) no puede disminuir con el tiempo. Según esta ley, el calor siempre fluye de un objeto más caliente a uno más frío, lo que a su vez aumenta la entropía de ese objeto más frío. Cualquiera que se haya preparado una taza de chocolate caliente para calentarse las manos en un día de nieve puede dar fe de esta ley. Pero debido al azar, siempre habrá algunas moléculas que se mueven lentamente en el objeto caliente y algunas moléculas que se mueven rápidamente en el objeto frío. Eso significa que una entidad externa, conocida como el demonio de Maxwell, podría teóricamente conducir esas moléculas de un objeto a otro de manera preferencial, clasificando las moléculas que se mueven más rápido en el objeto caliente y las más frías en el objeto frío. Por lo tanto, el objeto caliente se calentaría más y el objeto frío se enfriaría. Para un observador, parecería como si el orden habitual de las cosas fuera al revés: su taza de chocolate caliente absorbería el calor de sus manos.

No hay ningún pequeño demonio por ahí jugando con tazas de chocolate caliente. Pero en los sistemas cuánticos minúsculos existe un elemento de control externo. Los sistemas cuánticos incluyen todas las partículas diminutas, como átomos y electrones, que se comportan de acuerdo con las reglas de la mecánica cuántica. Según estas reglas, medir un sistema cuántico lo cambia: antes de una observación, un sistema puede existir en múltiples estados simultáneamente, un concepto llamado superposición. En otras palabras, el giro, el momento y otras propiedades de una partícula aún no están definidas. Pero la medición colapsa esta superposición, arrojando un resultado definitivo.

Utilizando simulaciones por computadora, García-Pintos y sus colegas descubrieron que, al conocer el estado original de un sistema cuántico y el resultado después de realizar una medición, podían invertir la flecha del tiempo. Para su controlador externo, los investigadores construyeron una secuencia de campos y pulsos para revertir instantáneamente el sistema virtual a donde comenzó y, en algunos casos, empujarlo hacia el resultado opuesto. Esta secuencia de control, llamada hamiltoniana, actúa como el demonio de Maxwell, haciendo avanzar hacia atrás una secuencia supuestamente irreversible de eventos.

“Estamos emulando un universo donde las cosas fluyen hacia atrás en el tiempo”, dice García-Pintos.

Estos controles hamiltonianos podrían usarse para crear un motor de medición continua. La energía introducida en un sistema cuántico mediante medición podría ser extraída instantáneamente por el hamiltoniano y almacenada en una batería para impulsar otros procesos, afirma García-Pintos. Otra aplicación podría ser revertir la decoherencia cuántica, el fenómeno por el cual un sistema cuántico pierde su comportamiento cuántico especial y se transforma en un sistema clásico debido a las interacciones con el entorno exterior. La decoherencia es una barrera importante para la computación cuántica, afirma Rocco, por lo que un paso para hacerla reversible sería significativo.

Pero aún quedan desafíos por delante, dice Kater Murch, física experimental de la Universidad de California, Berkeley. Crear estos hamiltonianos en la práctica requeriría mediciones perfectas sin pérdida de información, afirma Murch, que no participó en el estudio. Sin embargo, no es posible una medición perfecta. Actualmente, los investigadores miden las propiedades de los sistemas cuánticos emitiéndoles luz óptica o de microondas y luego recogiendo esa luz para ver cómo se desplazan sus componentes. Pero la eficiencia con la que recogen esa luz que regresa para ver cómo cambia el sistema es sólo de alrededor del 50 por ciento, dice, lo que significa que algunos detalles son confusos. “Ahora que hemos perdido parte de la señal de medición, perdemos la noción de qué está haciendo exactamente el sistema cuántico”, afirma. Y eso significa que antes de que los investigadores puedan construir el hamiltoniano perfecto para revertir el tiempo en sistemas cuánticos reales, tendrán que mejorar en su medición.

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