La flecha del tiempo y una computadora cuántica

El tiempo va en una dirección: hacia adelante. 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 más con el tiempo. Pero recientemente, investigadores del Instituto de Física y Tecnología de Moscú (MIPT), de Estados Unidos y Suiza  devolvieron el estado de una computadora cuántica una fracción de segundo hacia el pasado. También calcularon la probabilidad de que un electrón en el espacio interestelar vacío regrese espontáneamente a su pasado reciente. El estudio se publicó el 12 de marzo en Scientific Reports.

La mayoría de las leyes de la física no hacen distinción entre el futuro y el pasado. Por ejemplo, permiten que una única ecuación describa la colisión y el rebote de dos bolas de billar idénticas. Sin embargo, si se rompe la pirámide que forman inicialmente las bolas, estas de dispersan en todas direcciones y es fácil distinguir el escenario de la reproducción inversa. Intuitivamente, la segunda ley de la termodinámica nos dice que un sistema aislado o bien permanece estático o evoluciona hacia un estado de caos en lugar de orden. La mayoría de las otras leyes de la física no impiden que las bolas de billar enrolladas se junten en una pirámide. Pero esto no se observa, ya que requeriría que un sistema aislado asumiera un estado más ordenado sin ninguna intervención externa, lo que va en contra de la segunda ley.

Para ello, los físicos cuánticos de MIPT supusieron que el electrón está localizado cuando se comienza a observar. Esto significa que aunque las leyes de la mecánica cuántica impidan conocer su posición con absoluta precisión, se puede delinear una pequeña región donde el electrón está localizado. El físico Andrey Lebedev, coautor del estudio, explica que la evolución del estado electrónico se rige por la ecuación de Schrödinger. Aunque no hace distinción 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 y la incertidumbre de la posición del electrón crece

“Sin embargo, la ecuación de Schrödinger es reversible“, agrega Valerii Vinokur, otro coautor del artículo. “Matemáticamente, significa que, bajo una cierta transformación denominada conjugación compleja, la ecuación describirá la localización de electrones en una pequeña región del espacio durante el mismo período de tiempo”. Aunque este fenómeno no se observa en la naturaleza, en teoría podría ocurrir debido a una fluctuación aleatoria en el fondo cósmico de microondas que impregna el universo.

El equipo se dispuso a calcular la probabilidad de observar un electrón en una fracción de segundo, localizándose espontáneamente en su pasado reciente. Resultó que incluso a lo largo de toda la vida del universo (13.7 mil millones de años), observando 10 mil millones de electrones localizados cada segundo, la evolución inversa del estado de la partícula solo sucedería una vez. E incluso en ese caso, el electrón no viajaría más que un simple diez mil millones de segundos hacia el pasado.

Los fenómenos a gran escala, como el de las bolas de billar, se desarrollan obviamente en escalas de tiempo mucho mayores y cuentan con un número asombroso de electrones y otras partículas. Esto explica por qué no observamos que las personas mayores se estén volviendo más jóvenes.

Después, los investigadores hicieron su experimento en cuatro etapas. En lugar de un electrón, observaron el estado de una computadora cuántica formada por dos y más tarde tres elementos básicos llamados qubits superconductores:

  • Etapa 1: Orden. Cada qubit se inicializa en el estado fundamental, denotado como cero. Esta configuración altamente ordenada corresponde al estado inicial: un electrón localizado en una pequeña región (o una configuración en triángulo de bolas de billar).

 

  • Etapa 2: Degradación. El orden se pierde. Al igual que el electrón se mancha en una región cada vez más grande del espacio ( o las bolas de billar se dispersan sobre la mesa), el estado de los qubits se convierte en un patrón cambiante cada vez más complejo de ceros y unos. Esto se logra lanzando un algoritmo en la computadora cuántica que hace evolucionar el sistema. 

 

  • Etapa 3: inversión de tiempo. Un programa especial modifica el estado de la computadora cuántica de tal manera que luego evolucione “hacia atrás”, desde el caos hacia el orden. Esta operación es similar a la fluctuación aleatoria del fondo de microondas en el caso del electrón, pero esta vez, se induce deliberadamente.

 

  • Etapa 4: Regeneración. Se lanza nuevamente el programa de evolución de la segunda etapa. Se rebobina el estado de los qubits en el pasado, la forma en que un electrón se localizaría o las bolas de billar volverían a estar formando un triángulo.

Fig. 1: etapas de la experiencia de computación cuántica.

Los investigadores encontraron que en el 85% de los casos, la computadora cuántica de dos qubits de IBM volvió a su estado inicial. Cuando se involucraron tres qubits, ocurrieron más errores, y la tasa de éxito fue de un 50% aproximadamente. 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 la tasa de error disminuya.

Como conclusión, se obtuvo que la aplicación práctica de este experiencia es que el algoritmo de inversión de tiempo en sí mismo podría resultar útil para hacer que las computadoras cuánticas sean más precisas.

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