Un equipo internacional de científicos rusos, suizos y estadounidenses logra revertir muy brevemente el paso del tiempo. ¿Estamos más cerca del Delorean del doctor Emmett Brown?

Físicos logran revertir el tiempo una fracción de segundo gracias a un ordenador cuántico
© EC
El Dr. Brown y Marty McFly, con su Delorean.
"Si pudiera revertir el tiempo /

Si pudiera encontrar la manera /

Retiraría esas palabras que te hirieron /

Y tú te quedarías".

De momento, esto solo es un gran éxito de Cher, pero esperen al siguiente párrafo. Como sabrán perfectamente, el segundo principio de la termodinámica establece que la cantidad de entropía -el desorden molecular de un sistema- tiende a incrementarse en el tiempo. En resumen, que los procesos físicos son irreversibles. De la semilla nace una planta, de la planta una fruta, la fruta madura y se cae del árbol, se mustia y se pudre. No hay vuelta atrás.

Sin embargo, un grupo de investigadores rusos, suizos y estadounidenses ha demostrado ahora que, en algunos casos, este principio podría no ser del todo inviolable. En un experimento publicado hoy en la revista 'Scientific Reports', han logrado revertir el estado de un ordenador cuántico una fracción de segundo hacia el pasado. Al mismo tiempo, han calculado la probabilidad de que un electrón que viaja por el espacio interestelar regrese de forma espontánea al pasado reciente.

Los científicos, dirigidos por Gordey Lesovik, director de laboratorio en el Instituto de Física y Tecnología de Moscú, querían precisamente estirar los límites de este inamovible principio de la física. "Este es uno de una serie de artículos sobre la posibilidad de violar la segunda ley de la termodinámica", dice Lesovik. "Esa ley está estrechamente relacionada con la noción de la flecha del tiempo que postula la dirección del tiempo en un solo sentido: del pasado al futuro".

Físicos logran revertir el tiempo una fracción de segundo gracias a un ordenador cuántico
© Universidad de Pittsburg
Representación del Demonio de Maxwell, una máquina mental capaz de crear energía sin esfuerzo.
Lesovik y su grupo comenzaron describiendo lo que se conoce como Demonio de Maxwell, una máquina de movimiento perpetuo (bautizada así en honor a James Clerk Maxwell, el físico escocés que formuló la teoría de la radiación electromagnética) que, de funcionar, lograría violar también este principio de entropía. Aunque hasta aquí todo era simulación, este nuevo artículo "aborda el mismo problema desde un tercer ángulo: hemos creado artificialmente un estado que evoluciona en una dirección opuesta a la de la flecha termodinámica del tiempo".

La mayoría de las leyes de la física no hacen distinción entre el futuro y el pasado. Si representamos en una ecuación el choque de dos bolas de billar, la ecuación sería válida tanto si las vemos chocar como si lo grabamos con un vídeo y lo reproducimos marcha atrás. Otra cosa es si grabamos, en el comienzo de una partida, la bola blanca que choca contra el triángulo y provoca que todas las demás bolas se dispersen por la mesa. Ver esa secuencia al revés nos resultaría absurdo, ya que tenemos interiorizado ese segundo principio de la termodinámica: o los sistemas permanecen ordenados o evolucionan hacia un estado caótico, nunca al revés.

Partiendo de esa base, estos físicos cuánticos dejaron por un momento las bolas de billar para centrarse en elementos mucho más pequeños y manipulables, como un electrón, y ver si el tiempo podía revertirse espontáneamente para esta partícula elemental durante una pequeña fracción de segundo.

Físicos logran revertir el tiempo una fracción de segundo gracias a un ordenador cuántico
© EFE
Un semiconductor qubit montado en una placa de circuito impreso criogénica personalizada.
"Supongamos que el electrón está localizado cuando comenzamos a observarlo", explica Andrey Lebedev, de la ETH Zurich y coautor del estudio. "Las leyes de la mecánica cuántica nos impiden conocer su ubicación con absoluta precisión, pero podemos delinear una pequeña región donde el electrón está localizado".

El físico explica que la evolución del estado del electrón se rige por la ecuación de Schrödinger (enunciada en 1925, se utiliza para calcular cómo se movería una pequeña partícula en mitad del espacio vacío), y aunque esta no distingue entre pasado y futuro, predice que la región del espacio que contenga al electrón se expandirá muy rápidamente. En resumen, el sistema tiende a hacerse más caótico y la incertidumbre sobre la posición del electrón crece.

"Sin embargo, la ecuación de Schrödinger es reversible", añade Valerii Vinokur, científica en el Laboratorio Nacional de Argonne (EEUU) y también participante en el artículo. "Matemáticamente, esto significa que, bajo cierta transformación, la ecuación describe una relocalización de algunos electrones hacia esa pequeña región del espacio durante el mismo periodo de tiempo". Este fenómeno, que en teoría podría ocurrir debido a una fluctuación aleatoria en el fondo cósmico de microondas que impregna el universo, no se da en la naturaleza pero sí puede ocurrir a escala muy, muy pequeña. Como los estados cuánticos.

Los científicos calcularon la probabilidad de que uno de estos electrones viajara a su pasado reciente (de una fracción de segundo) y concluyeron que, si uno se pasaba toda la historia del Universo (13.700 millones de años) observando cada segundo a 10.000 millones de electrones, esta regresión al pasado solo se daría una única vez y el electrón apenas retrocedería en el tiempo una diezmilmillonésima parte de un segundo.

Para Alberto Ibort, catedrático de matemáticas aplicadas en la Universidad Carlos III y miembro del Instituto de Ciencias Matemáticas, "es un estudio muy interesante, aunque lo de 'reversión temporal' resulta confuso, lo único que quieren decir es que las ecuaciones de la mecánica cuántica son reversibles", explica a Teknautas, "yo hablaría más bien del rejuvenecimiento de un sistema cuántico".

Una vez estudiado esto, los científicos se dispusieron a intentar revertir el tiempo en un experimento de cuatro fases.

Revertir el tiempo a voluntad

Los investigadores luego intentaron revertir el tiempo en un experimento de cuatro etapas. En lugar de un electrón, utilizaron un ordenador cuántico formado por dos qubits superconductores, los elementos básicos de este tipo de dispositivos.

Etapa 1: orden. Cada qubit comienza en un estado fundamental al que llamaremos cero. Es una configuración altamente ordenada análoga a un electrón localizado en una pequeña región o a un grupo de bolas de billar antes de ser golpeadas por la bola blanca.

Etapa 2: degradación. El orden se pierde. Al igual que las bolas de billar se golpean y separan, el estado de los qubits se convierte en un patrón cambiante cada vez más complejo de ceros y unos. Esto se logra iniciando el programa evolutivo en el ordenador cuántico.

Etapa 3: inversión del tiempo. Un programa especial modifica el estado de la computadora cuántica de tal manera que evolucione 'hacia atrás', desde el caos hacia el orden. Esta operación es similar a la que produce la fluctuación aleatoria del fondo de microondas en el caso del electrón, pero esta vez no es aleatoria sino que se induce deliberadamente.

Etapa 4: regeneración. Se inicia la segunda fase del programa de evolución en el ordenador. Siempre que el paso 3 se haya producido con éxito, el programa no provoca más caos, sino que logra rebobinar al pasado el estado de los qubits, de igual forma en que las bolas de billar volverían sobre sus trayectorias y formarían de nuevo un triángulo.

Físicos logran revertir el tiempo una fracción de segundo gracias a un ordenador cuántico
© MTIP
Las cuatro fases del experimento.
Los investigadores hallaron que en el 85% de las ocasiones, el ordenador de dos qubits logró regresar a su estado inicial. Cuando, más tarde, se involucraron tres qubits, sucedieron más errores y la tasa de éxito se redujo al 50% aproximadamente. Según los autores, estos errores se deben a imperfecciones en el ordenador cuántico, por lo que a medida que se diseñen dispositivos más sofisticados, esperan que la tasa de error disminuya.

Curiosamente, el propio algoritmo utilizado para la reversión del tiempo podría ser la clave para hacer que los ordenadores cuánticos sean más precisos. "Nuestro algoritmo podría actualizarse y usarse para probar otros programas escritos para ordenadores cuánticos y eliminar ruidos y errores", explicó Lebedev.

Para Ibort, "cuando una taza se cae al suelo, se rompe y se desparrama todo su contenido, y aunque es posible, si nos empeñamos, revertir esa situación y que todos los fragmentos se volvieran a unir en la posición de partida, esto no cambiaría la flecha macroscópica del tiempo y no viola la segunda ley de la termodinámica". El catedrático cree, sin embargo, que el estudio puede ser muy útil para avanzar en cómo reconstruir estados previos concretos, al menos, en ordenadores cuánticos.

Por algo se empieza, y si no funciona, siempre se puede volver al inicio.