Investigadores han diseñado un mecanismo que mide cuándo las partículas cuánticas van hacia adelante o hacia atrás en el tiempo y se han encontrado de camino con una nueva fuente de energía
Foto: Así es la primera batería cuántica de la historia. (CSIRO)
Así es la primera batería cuántica de la historia. (CSIRO)
Por Omar Kardoudi
Cada vez que los físicos miden un sistema cuántico, lo perturban y le inyectan energía. Esto, que suele considerarse un problema a la hora de hacer experimentos, puede convertirse en una nueva forma de generar combustible para baterías y pequeños motores cuánticos, según un estudio publicado recientemente. Los autores han desarrollado un sistema de control cuántico capaz de manipular la flecha del tiempo, es decir, la dirección en la que un sistema cuántico parece evolucionar. Al invertirla de forma controlada —al llevarla de nuevo al pasado—, el equipo logra convertir la energía de las mediciones en una fuente útil de energía.
«Aplicamos campos y herramientas de control al sistema que pueden revertir lo que está ocurriendo a causa de las mediciones», explica Luis Pedro García-Pintos, científico del Laboratorio Nacional de Los Álamos en Nuevo México y líder de la investigación. «Si la medición iba a hacer que mi sistema se elevara, puedo hacer que vuelva a bajar. Como somos capaces de contrarrestar las mediciones efectivas, podemos generar trayectorias que sean más coherentes con un proceso que se hubiera desarrollado hacia atrás en lugar de hacia adelante».
La energía de ordenar el caos
El mundo cuántico, el de los átomos y las partículas subatómicas, se rige por unas leyes particulares que no responden a lo que estamos acostumbrados a ver los humanos con nuestros ojos. Cuando se mide un sistema cuántico, la medición introduce una pequeña perturbación que crea una diferencia entre el antes y el después, como si estuviéramos viendo una moneda que cambia de cara de forma aleatoria y que cada vez que la miramos se altera ligeramente.
La segunda ley de la termodinámica establece que los sistemas tienden de forma natural hacia el desorden. Esa tendencia al desorden es, precisamente, lo que genera la flecha del tiempo tal y como la conocemos. Lo que revela el estudio es que el mismo parámetro que controla la dirección del tiempo también controla la dirección en la que fluye la energía entre las mediciones y el mecanismo de control. Por lo que manipular el tiempo cuántico y extraer energía están íntimamente relacionados.
Imagen: El Dr. Quach en su laboratorio con una batería cuántica que se autocarga. (Universidad de Adelaide)
Lo que propone el estudio es una herramienta que crea un bucle de control en tiempo real. El sistema mide el estado cuántico, calcula al instante qué variación ha introducido esa medición y aplica un pulso de radiación de microondas para contrarrestarlo. Al contrarrestar sistemáticamente esas variaciones, la evolución del sistema empieza a parecerse estadísticamente a una partícula que, en lugar de evolucionar hacia adelante como haría de forma natural, parece retroceder en el tiempo.
Baterías y motores cuánticos
Es justo en ese proceso de corrección donde la energía que habría desaparecido como ruido se captura y se extrae como energía útil. El efecto incluso puede graduarse. La flecha del tiempo —la facilidad con la que puedes distinguir si un sistema evoluciona hacia adelante o hacia atrás— se puede mover entre distintos estados ajustando un único parámetro de control, como si fuera un dial.
En un extremo, la evolución hacia adelante se hace más marcada que en condiciones normales. En el centro, la ambigüedad es total y ya no hay forma de saber si el tiempo avanza o retrocede. Y pasado ese punto, el sistema empieza a parecerse estadísticamente más a uno que retrocede en el tiempo que a uno que avanza. En ese preciso momento es cuando la energía puede extraerse.
Imagen: Un motor cuántico similar al que está en pruebas. (NASA)
Un motor cuántico similar al que está en pruebas. (NASA)
La implicación más práctica es que los sistemas cuánticos que requieren medición constante, que son prácticamente todos los que se usan en computación cuántica, podrían convertir esa monitorización en una fuente de energía en lugar de un coste. Eso es especialmente relevante para las baterías cuánticas, pero sobre todo para los motores cuánticos en miniatura —dispositivos análogos a los motores térmicos clásicos, pero que funcionan con partículas y qubits— donde la eficiencia energética es crítica. Los investigadores han identificado en el estudio tres posibles usos para estos motores cuánticos.
El primero es alimentar otros procesos dentro del mismo sistema cuántico, convirtiendo las mediciones en una pequeña fuente de energía interna. El segundo es cargar baterías cuánticas, sistemas capaces de acumular esa energía a escala cuántica para usarla más tarde. El tercero, quizás el más inmediato, es preparar estados cuánticos. El equipo de Los Álamos ya trabaja en aplicaciones donde el mismo mecanismo sirve para dejar un qubit —la unidad básica de información de un ordenador cuántico— exactamente en el estado que se necesita para un cálculo, algo que hoy cuesta tiempo y energía considerables. Un motor con esta tecnología podría reciclar esa energía perdida, haciendo chips para ordenadores cuánticos más eficientes.