Cómo en física cuántica están logrando lo que parecía imposible: la reversión temporal del estado de una partícula

La frontera entre la ciencia y la ciencia ficción es en ocasiones casi imperceptible. Y se lo debemos, cómo no, a nuestra cada vez más precisa comprensión del mundo en el que vivimos. Ese mundo macroscópico que podemos ver con nuestros ojos y en el que los procesos parecen discurrir en un único sentido en el tiempo: del presente hacia el futuro.

Estamos tan íntimamente acostumbrados a observar este fenómeno que nos resulta muy difícil aceptar la posibilidad de revertir un proceso en el tiempo. De recuperarlo tal y como era antes de haber sufrido algún cambio que podríamos considerar permanente. Pero no es imposible. La física cuántica acaba de demostrarnos que es factible tanto en el ámbito teórico como en el práctico.

La física cuántica y nuestra intuición están, una vez más, a punto de chocar

Nuestra intuición nos invita a concluir que la irreversibilidad de los procesos es una ley fundamental. Y el segundo principio de la termodinámica nos da la razón. Se puede formular de muchas maneras diferentes, pero todas ellas, si son correctas, nos invitan a concluir que los fenómenos físicos son irreversibles.

Si colocamos un recipiente con agua muy caliente en la encimera de nuestra cocina y no hacemos nada con él, el agua se enfriará. Y si se nos cae un vaso y estalla al golpearse con el suelo, no volverá a recomponerse por sí solo. Precisamente el intercambio de calor y la entropía son dos propiedades íntimamente ligadas al segundo principio de la termodinámica.

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La entropía suele definirse como la magnitud que mide el grado de desorden de un sistema físico. Es una simplificación quizá excesiva, pero puede ayudarnos a entender de qué estamos hablando sin que nos veamos obligados a recurrir a conceptos complejos. En cualquier caso, este principio termodinámico es de naturaleza estadística, y, además, la física clásica es determinista.

Esto significa que es posible predecir la evolución de un sistema físico a lo largo del tiempo si conocemos su estado inicial y las ecuaciones diferenciales que describen su comportamiento. Sin embargo, en el dominio de la física cuántica, en el mundo de lo muy pequeño, de las partículas, la reversibilidad de los procesos físicos es posible. Lo es desde un punto de vista teórico desde hace mucho tiempo, y ahora lo es también en la práctica.

La física cuántica lo permite: un fotón ha retrocedido en el tiempo

Los físicos coquetean con la posibilidad de revertir procesos en el tiempo desde hace muchos años. De hecho, algunos teóricos trabajan en unas herramientas muy peculiares que la mecánica cuántica ha colocado en sus manos: los protocolos de reversión o rebobinado universal. No necesitamos conocer con detalle cómo funcionan estos mecanismos, pero nos viene de perlas saber que sirven para revertir los cambios que ha sufrido un sistema cuántico sin conocer cuál era su estado inicial. Y sin saber tampoco en qué consistieron esos cambios.

Casi parece magia, pero no lo es. Es ciencia. Y, precisamente, el físico teórico español Miguel Navascués lidera un equipo de investigación en el Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica de la Academia de las Ciencias de Austria experto en esta disciplina. Miguel y sus colaboradores han diseñado un innovador protocolo teórico de reversión que propone, a grandes rasgos, qué procedimiento es posible utilizar para conseguir que un sistema cuántico recupere su estado inicial sin conocer qué cambios ha sufrido.

Llevar algo así a la práctica no es nada sencillo, lo que ha provocado que los físicos experimentales que trabajan en esta área no hayan tenido demasiado éxito. Afortunadamente, el panorama ha cambiado. Y es que el equipo de físicos experimentales de la Universidad de Viena dirigido por Philip Walther ha conseguido implementar con éxito el protocolo de reversión universal diseñado por Miguel Navascués y su equipo.

El corazón de su experimento es un sofisticado equipo óptico constituido por varios interferómetros y enlaces de fibra óptica que se comportan de forma conjunta como un interruptor cuántico. Conocer con detalle cómo funciona este ingenio queda fuera del propósito de este artículo porque, como podemos intuir, su complejidad es extraordinaria. Aun así, quien no se deje intimidar fácilmente y tenga curiosidad puede consultar el artículo que han publicado Navascués, Walther y sus equipos en la revista Optica. Merece mucho la pena.

Un apunte antes de seguir adelante: un interferómetro es un dispositivo óptico que emplea una fuente de luz (habitualmente un láser) para medir con muchísima precisión los cambios introducidos en un sistema físico. Descrito de esta forma parece algo muy complicado, y sí, es complicado, pero podemos recurrir a un ejemplo cercano en el tiempo para ilustrar de qué estamos hablando.

Los experimentos LIGO, en Estados Unidos, y Virgo, en Italia, utilizados para identificar y analizar ondas gravitacionales son interferómetros. Y, como acabamos de ver, ambos incorporan un sofisticado equipo óptico y un láser que les permite medir las perturbaciones gravitatorias generadas por los objetos masivos del cosmos que están sometidos a una cierta aceleración. Estas perturbaciones se propagan por el continuo espacio-tiempo a la velocidad de la luz bajo la forma de ondas, y los interferómetros las recogen.

De alguna forma el interruptor cuántico que han construido los equipos de Navascués y Walther es parecido a LIGO o Virgo, pero a una escala infinitamente menor debido a que su propósito es identificar y medir los cambios introducidos en un sistema cuántico. Lo que han conseguido es asombroso: han revertido con éxito la evolución en el tiempo de un fotón sin conocer previamente ni su estado inicial ni qué cambios había experimentado. En la práctica es lo mismo que viajar hacia atrás en el tiempo.

Este esquema describe el ingenioso equipo óptico diseñado por los investigadores de la Universidad de Viena y el Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica de la Academia de las Ciencias de Austria.

Parece razonable pensar que conseguir esto con una sola partícula, con un fotón, no es demasiado interesante, pero nada más lejos de la realidad. El resultado que han obtenido estos investigadores, que ya ha sido revisado por pares, es extraordinario porque abre de par en par las puertas que probablemente van a permitirnos entender mucho mejor las reglas que subyacen en el mundo en el que vivimos. Las reglas, en definitiva, de la mecánica cuántica.

Lo que permite a este experimento desmarcarse de otros anteriores que también pretendían demostrar la posibilidad de revertir el estado de un sistema cuántico es que el protocolo de reversión universal de Navascués y Walther ha conseguido hacerlo sin tener ningún tipo de información previa acerca del estado del sistema cuántico. Podemos verlo como si hubiesen conseguido recomponer a la perfección un jarrón de porcelana sin conocer el número de fragmentos que tenían inicialmente, su forma, y mucho menos que pertenecían a un jarrón y eran de porcelana.

En las conclusiones de su artículo estos investigadores insisten en algo muy importante: los resultados que han obtenido no son válidos únicamente en los sistemas cuánticos de naturaleza fotónica, que son los que trabajan con luz; son coherentes con otros sistemas cuánticos. Por esta razón, las aplicaciones de esta tecnología pueden ser muy numerosas, especialmente en el ámbito de la computación cuántica.

Y es que los protocolos de reversión universal pueden en teoría ser utilizados para resolver uno de los mayores desafíos que plantean actualmente los ordenadores cuánticos: la corrección de errores. De hecho, este es probablemente el muro más alto que los investigadores en computación cuántica tendrán que derribar para conseguir que los ordenadores cuánticos sean capaces de resolver los tipos de problemas complejos en los que en teoría son muy superiores a los superordenadores clásicos.

Imagen de portada: Giallo

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