El tiempo va en una dirección: hacia adelante. Los niños pequeños se hacen viejos pero no viceversa; las tazas de té se rompen pero nunca se vuelven a armar espontáneamente. Esta propiedad cruel e inmutable del universo, llamada "flecha del tiempo", es fundamentalmente una consecuencia de la segunda ley de la termodinámica, que dicta que los sistemas siempre tenderán a desordenarse con el tiempo. Pero recientemente, investigadores de EE. UU. Y Rusia han doblado esa flecha solo un poco, al menos para partículas subatómicas.
En el nuevo estudio, publicado el martes (12 de marzo) en la revista Scientific Reports, los investigadores manipularon la flecha del tiempo usando una computadora cuántica muy pequeña hecha de dos partículas cuánticas, conocidas como qubits, que realizaban cálculos.
En la escala subatómica, donde prevalecen las reglas impares de la mecánica cuántica, los físicos describen el estado de los sistemas a través de una construcción matemática llamada función de onda. Esta función es una expresión de todos los estados posibles en los que el sistema podría estar, incluso, en el caso de una partícula, todas las ubicaciones posibles en las que podría estar, y la probabilidad de que el sistema esté en cualquiera de esos estados en un momento dado . Generalmente, a medida que pasa el tiempo, las funciones de onda se extienden; La posible ubicación de una partícula puede estar más lejos si espera una hora que si espera 5 minutos.
Deshacer la difusión de la función de onda es como intentar volver a poner la leche derramada en la botella. Pero eso es exactamente lo que los investigadores lograron en este nuevo experimento.
"Básicamente no hay posibilidad de que esto suceda por sí solo", dijo a Live Science el investigador principal Valerii Vinokur, físico del Laboratorio Nacional de Argonne en Illinois. "Es como ese dicho, donde si le das a un mono una máquina de escribir y mucho tiempo, puede escribir a Shakespeare". En otras palabras, es técnicamente posible pero tan improbable que podría ser imposible.
¿Cómo hicieron los científicos para que sucediera lo esencialmente imposible? Al controlar cuidadosamente el experimento.
"Realmente se necesita mucho control para que todas las piezas rotas de una taza de té se vuelvan a unir", dijo a Live Science Stephen Bartlett, profesor de física en la Universidad de Sydney. Bartlett no participó en el estudio. "Debes tener mucho control sobre el sistema para hacerlo ... y una computadora cuántica es algo que nos permite tener una gran cantidad de control sobre un sistema cuántico simulado".
Los investigadores utilizaron una computadora cuántica para simular una sola partícula, su función de onda se extendió con el tiempo como una onda en un estanque. Luego, escribieron un algoritmo en la computadora cuántica que invirtió la evolución temporal de cada uno de los componentes de la función de onda, esencialmente tirando esa onda hacia la partícula que la creó. Lograron esta hazaña sin aumentar la entropía o el desorden en otras partes del universo, aparentemente desafiando la flecha del tiempo.
¿Significa esto que los investigadores hicieron una máquina del tiempo? ¿Violaron las leyes de la física? La respuesta es no a ambas preguntas. La segunda ley de la termodinámica dice que el orden del universo debe disminuir con el tiempo, pero no que nunca pueda permanecer igual en casos muy especiales. Y este experimento fue lo suficientemente pequeño, lo suficientemente corto y controlado como para que el universo no ganara ni perdiera energía.
"Es muy complejo y complicado enviar olas en un estanque" una vez que se han creado, dijo Vinokur, "pero vimos que esto era posible en el mundo cuántico, en un caso muy simple". En otras palabras, fue posible cuando utilizaron el control que les dio la computadora cuántica para deshacer el efecto del tiempo.
Después de ejecutar el programa, el sistema volvió a su estado original el 85 por ciento de las veces. Sin embargo, cuando se introdujo un tercer qubit, el experimento tuvo éxito solo el 50 por ciento del tiempo. Los investigadores dijeron que la complejidad del sistema probablemente aumentó demasiado con el tercer qubit, lo que dificulta que la computadora cuántica mantenga el control sobre todos los aspectos del sistema. Sin ese control, la entropía no puede mantenerse bajo control y, por lo tanto, la inversión de tiempo es imperfecta. Aún así, apuntan a sistemas más grandes y computadoras cuánticas más grandes para sus próximos pasos, dijo Vinokur a Live Science.
"El trabajo es una buena contribución a los fundamentos de la física", dijo a Live Science James Whitfield, profesor de física en el Dartmouth College en New Hampshire, que no participó en el estudio. "Nos recuerda que no todas las aplicaciones de computación cuántica deben estar orientadas a aplicaciones para ser interesantes".
"Esto es exactamente por qué estamos construyendo computadoras cuánticas", dijo Bartlett. "Esta es una demostración de que las computadoras cuánticas pueden permitirnos simular cosas que no deberían ocurrir en el mundo real".
