La mecánica cuántica y la termodinámica pueden ser ciertas, dicen los físicos – Physics World

Físicos de los Países Bajos y Alemania han demostrado que las teorías de la termodinámica y la mecánica cuántica son formas válidas de describir el comportamiento de los fotones en un procesador cuántico. Los resultados, obtenidos por investigadores de la Universidad de Twente y la Freie Universität Berlin, abren la puerta a una comprensión más profunda de cómo reconciliar estas dos grandes teorías.

La termodinámica y la mecánica cuántica son piedras angulares de la física moderna, pero de una manera específica e importante, no se llevan bien. El punto de discordia gira en torno a la segunda ley de la termodinámica, que establece que un sistema cerrado se moverá hacia la entropía máxima (una medida del desorden o caos del sistema) de manera irreversible. La teoría de la mecánica cuántica, por el contrario, permite calcular de nuevo los estados previos de las partículas, lo que significa que el flujo de información y el tiempo son reversibles.

En los últimos años, ha habido varios intentos de explorar este conflicto utilizando sistemas cuánticos entrelazados como átomos ultrafríos o bits cuánticos superconductores (qubits). Al observar lo que sucede cuando estos sistemas se termalizan y equilibran, debería ser posible medir su entropía y sus estados cuánticos al mismo tiempo, y así resolver la paradoja.

El problema es que los sistemas cuánticos son muy sensibles a las interacciones con su entorno. Esto hace que sea difícil crear un sistema que sea verdaderamente cerrado. También son propensos a perder su naturaleza cuántica, un proceso conocido como decoherencia, que dificulta la implementación de la inversión del tiempo.

Fotónica al rescate

Para sortear estos desafíos, el equipo optó por estudiar la termalización y el equilibrio en sistemas de fotones entrelazados. Los fotones tienen varias ventajas sobre los sistemas cuánticos compuestos por (por ejemplo) átomos. Su naturaleza intrínsecamente cuántica significa que no sufren de decoherencia. Se pueden estudiar a temperatura ambiente, en contraste con las temperaturas ultrabajas necesarias para los átomos, y son fáciles de manipular con interferencia. Lo que es más importante, permiten la reversibilidad en el tiempo: cualquier mezcla de fotones puede revertirse realizando la operación inversa, lo que significa que los fotones entrelazados pueden, en efecto, "desenredarse".

En el experimento, los investigadores comienzan inyectando fotones individuales en canales de guía de ondas en un chip. Estos fotones interfieren donde los canales fotónicos del chip se encuentran y se cruzan. Esta interferencia, que el equipo controló con interferómetros termoópticos Mach-Zehnder, crea una superposición de fotones en las guías de ondas y permite que se acumule el entrelazamiento. Luego, los fotones se detectan con detectores de un solo fotón.

Simultáneamente cierto

Para determinar los aumentos de entropía locales y totales del sistema, los investigadores realizaron una serie de protocolos. La reversibilidad temporal, por ejemplo, se implementó desenredando los fotones, lo que fue posible gracias al control total que el procesador otorga sobre el experimento.

Una vez que se completaron estos protocolos, las mediciones en los canales de salida individuales del experimento mostraron que los números de fotones ya no se podían definir con precisión. Esto se debe a que los fotones estaban en un estado entrelazado y ya no estaban localizados individualmente en un solo canal como lo estaban en la entrada. Sin embargo, las estadísticas de fotones que los investigadores midieron en cada canal mostraron que la entropía aumentó localmente en todos los canales, de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica. Al mismo tiempo, el entrelazamiento que se formó entre los fotones no es visible en los canales individuales: solo cuando se considera el sistema completo se vuelve claro que el estado cuántico general se encuentra en una forma pura, consistente con la mecánica cuántica.

Como verificación final, los físicos realizaron operaciones para devolver el procesador a su estado original (reversión del tiempo). El éxito de estas operaciones demostró que los procesos de termalización y equilibrio se debían al entrelazamiento entre las partículas cuánticas, más que a las interacciones con el entorno. Por lo tanto, el experimento mostró que la termodinámica y la mecánica cuántica pueden ser verdaderas al mismo tiempo.

Datos de alta calidad

Según la Pepijn Pinkse, un experto en óptica cuántica de la Universidad de Twente, el mayor desafío del equipo fue obtener suficientes datos de alta calidad para realizar las mediciones. Las bajas pérdidas en el procesador fotónico ayudaron, dice, y más fotones y procesadores más grandes deberían permitirles simular más sistemas. El elemento más débil de la cadena, agrega, parece ser la fuente de fotones: "Tenemos al menos 12 canales de entrada, pero solo tres fotones al mismo tiempo para experimentar, por lo que hay espacio para mejorar", dice. Mundo de la física.

La teoría olvidada: por qué la termodinámica es tan importante como la mecánica cuántica y la relatividad general

Nicole Yunger Halpern, un experto en termodinámica cuántica del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST, por sus siglas en inglés) de EE. UU. que no participó en la investigación, dice que el experimento es importante porque se extiende a los trabajos previos de fotones que involucraron átomos ultrafríos, iones atrapados y qubits superconductores. Este cambio de plataforma, dice, permitió a los experimentadores deshacer el proceso que llevó al sistema a equilibrarse internamente, lo que permitió concluir que el sistema había conservado su naturaleza cuántica mientras se equilibraba. Hacer esto requiere una "excelente cantidad de control", señala, y agrega que el desafío de lograr este control ha causado una ansiedad significativa en los grupos que usan otras plataformas en los últimos años.

La investigación se publica en Nature Communications.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/quantum-mechanics-and-thermodynamics-can-both-be-true-say-physicists/