El principio de la entropía no decreciente en sistemas aislados, que es una de las formulaciones de la segunda ley de la termodinámica, de la que tanto se habla, puede violarse: resulta que la entropía de un sistema cuántico puede disminuir con el tiempo. Esto fue descubierto por un equipo internacional de científicos encabezado por el Dr. Gordey Lesovik, un destacado científico investigador del Laboratorio de Teoría de la Información Cuántica del Instituto de Física y Tecnología de Moscú (MIPT) y el Instituto de Física Teórica L. D. Landau de la Academia Rusa de Ciencias. Los resultados de la investigación se publicaron en Scientific Reports, una revista de Nature Publishing Group.
“Encontramos un demonio cuántico de Maxwell que puede disminuir la entropía de un sistema sin siquiera medir su estado“, nos dijo Lesovik.
El demonio de Maxwell es un experimento teórico creado por el físico James Clerk Maxwell en el que sugirió cómo se podría violar hipotéticamente la Segunda Ley de la Termodinámica.
La mayoría de los procesos en la física clásica son independientes de la flecha del tiempo, desde un punto de vista estrictamente científico, el pasado y el futuro se parecen tanto que pueden llegar a ser intercambiables. En otras palabras, todos pueden ejecutarse a la inversa sin infringir ninguna ley. Los físicos se refieren a esta propiedad como simetría temporal. Sin embargo, hay una ley llamada la segunda ley de la termodinámica que no se cumple con la inversión del tiempo. Según lo formulado por Rudolf Clausius, esta ley establece que el calor nunca puede pasar de un cuerpo más frío a uno más cálido. Esto significa que la transferencia de calor es un proceso fundamentalmente irreversible.
En 1870, el principio de aumentar la entropía fue formulado de manera más rigurosa por Ludwig Boltzmann en su llamado teorema de H. Describe un sistema aislado cuyo estado puede ser descrito por la ecuación cinética que se conoció como la ecuación de Boltzmann. De acuerdo con este teorema, la entropía del sistema puede aumentar o permanecer constante. Durante mucho tiempo, el teorema H no pudo probarse en el marco de la física estadística clásica sin recurrir a restricciones adicionales. Con el advenimiento de la mecánica cuántica, los científicos comenzaron a preguntarse si el teorema H podría estar enraizado en el mundo cuántico. Finalmente, la teoría de la información cuántica proporcionó información importante sobre las condiciones en las que la entropía de un sistema no disminuye.
El equipo dirigido por Lesovik fue el primero en formular el teorema H usando el lenguaje de la física cuántica. Pasaron varios años tratando de probar este análogo cuántico del teorema de Boltzmann.
“Pensamos que este teorema podría no ser válido en un sistema cuántico, y tal vez la entropía en realidad podría disminuir, incluso en un sistema aislado”, dijo Ludwig.
Esto llevó a los investigadores a identificar las condiciones bajo las cuales se puede eludir localmente la segunda ley de la termodinámica. Puede suceder en un sistema cuántico de tamaño relativamente pequeño pero macroscópico que mide hasta varios centímetros o incluso metros. La violación de la segunda ley es posible debido al hecho de que el cambio de entropía se manifiesta de manera diferente en la física clásica y cuántica. En un sistema clásico, la transferencia de calor debe ocurrir para que disminuya la entropía. Sin embargo, como resultado del enredo cuántico, la entropía de un sistema cuántico puede disminuir sin que se transfiera ninguna energía.
El presente artículo, aborda el problema desde un diferente ángulo: “hemos creado artificialmente un estado que evoluciona en una dirección opuesta a la de la flecha termodinámica del tiempo“. Es decir, que evoluciona hacia el pasado en lugar de hacia el futuro.
Los investigadores hallaron que en el 85% de los casos la computadora cuántica de dos qubits regresaba al estado inicial. Cuando se involucraron tres qubits en vez de dos, ocurrieron más errores, lo que resultó en una tasa de éxito de aproximadamente el 50 por ciento. Según los autores, estos errores se deben a imperfecciones en la computadora cuántica real. A medida que se diseñen dispositivos más sofisticados, se espera que la tasa de error disminuya.
Fuente: ABC Ciencia