Los científicos han desarrollado una nueva forma de controlar los sistemas cuánticos que puede hacer que su comportamiento sea más consistente con un movimiento hacia atrás que hacia adelante. Investigación, publicada Exploración física xEl control cuántico introduce protocolos que remodelan la “flecha del tiempo” de un sistema, la idea de que el tiempo se mueve naturalmente en una sola dirección. El método podría eventualmente respaldar nuevos métodos para extraer energía de sistemas cuánticos y preparar estados cuánticos.
Un sistema cuántico, como un grupo de qubits, sigue las reglas de la mecánica cuántica en lugar de las de la física clásica. Utilizando protocolos de control recientemente desarrollados, los investigadores pueden suprimir el ascenso natural de la flecha del tiempo o incluso invertir su dirección aparente, haciendo que los procesos cuánticos parezcan retroceder. Como demostración de la técnica, el equipo también construyó un motor de medición que puede recolectar energía del trabajo de realizar mediciones cuánticas.
“A diferencia de los fenómenos que nos rodean, la mayoría de las leyes fundamentales de la física a nivel microscópico contemplan movimientos hacia adelante y hacia atrás en el mayor tiempo físicamente posible”, dice el físico Luis Pedro García-Pintos del Laboratorio Nacional de Los Álamos. “En otras palabras, estas leyes de la física son simétricas en la inversión del tiempo; las ecuaciones funcionan exactamente de la misma manera si se invierte el tiempo. Para los sistemas cuánticos, que operan a ese nivel microscópico, las herramientas que hemos desarrollado pueden manipular la flecha del tiempo percibida, lo que lleva a formas novedosas y sorprendentes de controlarla”.
Ingeniería del comportamiento cuántico con inversión del tiempo
En la física clásica cotidiana, el objeto que se mide tiene poco efecto. Los sistemas cuánticos se comportan de manera muy diferente. Su medición cambia aleatoriamente su estado, creando naturalmente una flecha del tiempo.
Para superar ese efecto, los investigadores combinaron mediciones con respuestas para crear trayectorias estocásticas reversibles en el tiempo. Esto permite que los sistemas cuánticos sigan caminos que parecen ser consistentes con el tiempo que fluye en direcciones opuestas.
El equipo logró esto diseñando un hamiltoniano de control, una secuencia de campos y pulsos cuidadosamente diseñada que reproduce los efectos de las mediciones cuánticas. Cuando se incorporan a un sistema de retroalimentación, las perturbaciones causadas por las mediciones hamiltonianas pueden cancelarse, amplificarse o incluso corregirse. Como resultado, el sistema puede crear trayectorias consistentes con flechas del tiempo estiradas, borrosas o invertidas.
Una versión cuántica de los demonios de Maxwell
Este trabajo también produjo el famoso experimento mental del siglo XIX conocido como “el monstruo de Maxwell”. En esa situación, un observador hipotético ordenaría selectivamente partículas frías y calientes, aparentemente disminuyendo la entropía y desafiando la segunda ley de la termodinámica, que establece que la entropía aumenta naturalmente o permanece constante. (La física posterior demostró que la segunda ley no se viola cuando se tienen en cuenta todas las fuentes de costo termodinámico).
El “monstruo” cuántico del equipo de Los Álamos utiliza información sobre el estado de un sistema cuántico y los resultados de las mediciones para producir un comportamiento anómalo similar, invirtiendo efectivamente la flecha del tiempo normal del sistema.
Extracción de energía a partir de mediciones cuánticas.
Los nuevos métodos de control permiten a los investigadores influir en cómo fluye la energía dentro y fuera de los sistemas cuánticos. Esta capacidad puede alimentar un motor de medición continua 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 tareas, como impulsar otros procesos cuánticos o almacenar energía en una batería cuántica.
De cara al futuro, los investigadores planean demostrar experimentalmente procesos de medición basados en Hamilton para el control de la retroalimentación cuántica utilizando qubits superconductores. Estos sistemas admiten una respuesta rápida, una detección altamente eficiente y ya se han utilizado para implementar versiones cuánticas de los monstruos de Maxwell. Los estudios futuros también aplicarán nuevas técnicas para desarrollar protocolos avanzados de preparación de estados cuánticos.
Financiamiento: Este trabajo fue apoyado por el Departamento de Energía de EE. UU., la Oficina de Ciencias, el Programa de Investigación en Computación Científica Avanzada, el Proyecto Más Allá de la Ley de Moore del Programa de Computación y Simulación Avanzada en Los Alamos y la Fundación Nacional de Ciencias.
