Según los comunicados de prensa, los investigadores han invertido el tiempo en un ordenador cuántico y han violado la segunda ley de la termodinámica. ¿Qué significa esto para la física? ¿Permitirá viajar en el tiempo?
Más información:
"Flecha del tiempo y su inversión en el ordenador cuántico de IBM" (Scientific Reports, 2019-03-13)
"Los físicos invierten el tiempo utilizando un ordenador cuántico" (Phys.org, 2019-03-13)
En primer lugar, dejemos de lado algunos aspectos "sociológicos" importantes:
Esto significa que el texto que has enlazado ha sido redactado por alguien (un gabinete de prensa universitario) con un interés económico directo en la repercusión del artículo Y no fue verificado por nadie, y ni el escritor ni el editor consultaron a ningún experto independiente para confirmar lo que estaban publicando. Eso está bien si se presenta como lo que es (es decir, material promocional), pero no es ético presentarlo como periodismo científico (que no lo es). Si suena como si un "periódico" tomara afirmaciones sobre la producción de acero en Rusia del gobierno de la Unión Soviética y las presentara sin control, es porque no hay ninguna diferencia entre ambos.
Lo mismo ocurre, por cierto, con EurekAlert, y con Science Alert, cuyas opiniones sobre el tema son aquí y aquí . ¿Notas alguna similitud?
Además, unas palabras sobre la revista. El artículo en cuestión se publicó en Scientific Reports, cuyo proceso de arbitraje sólo comprueba la corrección, y no el interés o el impacto. (Y, francamente, no diría que tiene una gran reputación por sus controles de corrección). Esto no afecta al artículo en sí, pero hay que tenerlo en cuenta.
De todos modos, vamos al papel.
Supongamos que lanzo una pelota elástica contra una pared, de forma que golpea la pared horizontalmente y rebota:
Suponiendo que la pelota sea completamente elástica, entonces la colisión con la pared invertirá su velocidad, y seguirá exactamente el mismo arco de vuelta a mi mano. ¿Por qué? Básicamente, porque la mecánica newtoniana no tiene una flecha del tiempo: sus leyes del movimiento son completamente reversibles, lo que significa que si mantienes todas las posiciones de las partículas intactas, pero inviertes todas sus velocidades, el sistema volverá a seguir exactamente la misma trayectoria de la que salió, sólo que hacia atrás.
Lo mismo ocurre en la mecánica cuántica: las leyes del movimiento microscópico son completamente reversibles en el tiempo, aunque la operación de "invertir todas las velocidades" es algo más complicada. Técnicamente, hay que tomar la función de onda $\psi(x)$ y sustituirlo por su conjugado complejo, $\psi(x)^*$ Y esto es lo que han hecho Lesovik y sus colaboradores: han ideado una forma de tomar una función de onda e invertir su fase compleja. Y una vez hecho esto, el sistema volverá a seguir su camino anterior, exactamente como la pelota que rebota en la mecánica clásica.
Fuente de la imagen: Sci. Rep 9 , 4396 (2019)
Entonces, ¿qué tiene que ver el documento actual con la flecha del tiempo? Nada en absoluto, salvo el bombo y platillo. La flecha del tiempo surge como un concepto de la mecánica estadística, en la que la complejidad de los procesos de un gran sistema es tal que, aunque las leyes individuales del movimiento microscópico son reversibles, la dinámica a gran escala no lo es, ya que es demasiado difícil e improbable invertir totalmente el tiempo estado del sistema en un momento dado. Esto se enmarca principalmente en la mecánica clásica, pero hay versiones equivalentes dentro de la mecánica cuántica, una vez que se introducen los conceptos de estados mixtos y conjuntos termodinámicos.
Sin embargo, el documento actual no hace nada de eso. Trabajan con estados puros y con dinámicas totalmente coherentes (en lugar de estados mixtos y dinámicas parcialmente coherentes, que serían necesarias para tratar los conceptos termodinámicos o la flecha del tiempo), y esto hace que no puedan abordar ninguna cuestión relacionada con el aumento o la disminución de la entropía, o cualquiera de las cosas interesantes sobre el tema. Los autores hablan mucho de la entropía y de los temas que la rodean en la introducción, pero ahí se acaba todo: no miden ninguna entropía, así que son completamente incapaces de decir nada significativo sobre la "inversión de la flecha del tiempo".
Así pues, vamos a hacer un último repaso de sus preguntas concretas:
los investigadores han invertido el tiempo en un ordenador cuántico
No, no lo han hecho. Han invertido la dirección de viaje de una evolución cuántica y han visto cómo se devuelve, exactamente igual que una pelota elástica clásica que rebota en una pared. Hay algún mérito técnico en la aplicación práctica, pero nada más.
y violó la segunda ley de la termodinámica.
No hicieron nada de eso. El papel funciona efectivamente a temperatura cero y con estados puros, por lo que la entropía es cero en todo momento.
¿Qué significa eso para la física?
Exactamente igual que una pelota clásica rebotando en una pared.
¿Permitirá viajar en el tiempo?
En absoluto.
No invirtieron el tiempo, sino que invirtieron la "flecha del tiempo", lo que significa que el tiempo siguió adelante pero la entropía disminuyó un poco, por un momento. Las pequeñas violaciones temporales de la segunda ley ocurren espontáneamente todo el tiempo a escala microscópica, dondequiera que la energía térmica se reúna de la manera correcta para ser absorbida en un átomo o molécula. Es lo mismo que "el viento vuelve a ensamblar los fragmentos en un objeto intacto", salvo que la versión macroscópica es tan improbable que nunca ocurre realmente.
En este caso, un ordenador cuántico realizó una operación de disminución de entropía. Básicamente, simularon una de esas fluctuaciones improbables de disminución de entropía, y como los ordenadores cuánticos utilizan estados cuánticos coherentes, la simulación en sí misma implicó una disminución de entropía. Pero no fue una fluctuación en el ordenador cuántico, sino que el ordenador cuántico fue dirigido por un cuidadoso control a lo largo del camino inverso.
Este método no se utilizará para resucitar a los muertos, deshacer tazas de café, recuperar acciones estúpidas o cualquier otra aplicación práctica de la inversión de la flecha del tiempo, porque sólo puede aplicarse a los sistemas cuánticos que estaban completamente bajo observación y control externos desde el principio.
EDITAR : Esta respuesta fue correctamente criticada por basarse demasiado en la descripción del artículo en el comunicado de prensa, que por ejemplo (en la sección llamada "Reversing time on demand") dice literalmente que los qubits de IBM evolucionaron a un estado "cada vez más complejo", y luego fueron sometidos al operador de conjugación para que posteriormente evolucionaran en la dirección opuesta.
Ahora es evidente que la flecha del tiempo que es el tema de este trabajo no es principalmente la flecha termodinámica del tiempo, sino más bien una especie de "orientación en el tiempo" cuántica (mi frase, no la suya) que se supone que es más fundamental. La operación de inversión del tiempo crea un estado orientado al tiempo de forma opuesta, y esto tiene la consecuencia subsidiaria de que, si el estado inicial es uno en el que la entropía está aumentando, el estado resultante será uno en el que la entropía está disminuyendo. Es decir, la inversión de la flecha cuántica del tiempo es capaz de invertir la flecha termodinámica del tiempo; pero no necesariamente lo hace, por ejemplo, si ya se está en un estado de máxima entropía.
Emilio Pisanty dice que ellos trataron en todo momento con estados puros y éstos son por definición estados de entropía cero, por lo que la flecha termodinámica nunca aparece en los sistemas concretos que consideraron. Pues bien, hay varias definiciones para la entropía en los estados cuánticos, como se demuestra en estas respuestas de Physics.SE pero es cierto que ninguna de esas definiciones aparece en este documento. Reconozco definitivamente que este documento no es sobre la flecha termodinámica del tiempo. Pero, ¿los procesos que estudian tienen, no obstante, un aspecto termodinámico, por alguna definición de entropía?
En primer lugar, estudian la probabilidad teórica de que un paquete de ondas que se propaga en el vacío sea invertido en el tiempo por fluctuaciones espontáneas del vacío. Argumentan que esto es exponencialmente improbable, en proporción a la escala de la propagación que debe invertirse. Luego, para el experimento real, simulan una especie de proceso de dispersión cuántica elemental, utilizando dos o tres qubits.
Como ya se ha dicho, en el cuerpo del artículo no se habla en absoluto de la entropía. En su lugar, introducen la "complejidad de inversión del tiempo". Su idea es que cuantos más grados de libertad o dimensiones del espacio de Hilbert haya, mayor será la complejidad del operador de inversión del tiempo, en el sentido de que se necesitan más "piezas" (fluctuaciones localizadas por casualidad o puertas lógicas cuánticas) de las que está hecho.
Sin embargo, me parece probable que los procesos que se discuten impliquen realmente un aumento de la "entropía cuántica", para la definición correcta de entropía, y que esto esté relacionado con la alta complejidad del operador de inversión del tiempo. El paquete de ondas, a medida que se propaga, debería experimentar un aumento de la "entropía cuántica de Boltzmann" (véase la segunda respuesta en la discusión de Physics.SE que enlacé anteriormente), y esto está correlacionado con el hecho de que una fluctuación de inversión del tiempo se vuelve exponencialmente más complicada y, por lo tanto, exponencialmente más improbable a medida que continúa propagándose.
En cuanto al proceso de dispersión simulado, el hecho mismo de que el qubit "dispersado" pase de no estar enredado a estarlo significa que su entropía de von Neumann aumenta. Así que mientras el sistema multiqubit global está en un estado puro en todo momento, la entropía de von Neumann de las partes aumenta y luego disminuye.
Así que para resumir: el experimento consistía fundamentalmente en invertir la flecha del tiempo cuántica, no la flecha del tiempo termodinámica. Se podría argumentar que lo que simularon (un evento de dispersión cuántica) es uno de los procesos fundamentales que, cuando se producen en gran número, dan lugar a la flecha termodinámica del tiempo. Sin embargo, dado que sólo simularon un evento de este tipo y no una vasta concatenación de ellos, probablemente no sea razonable decir que invirtieron la flecha termodinámica del tiempo. En su lugar, lo único que hicieron fue invertir un aumento puntual de la entropía de von Neumann.
Esta respuesta debe considerarse todavía como tentativa, sólo estoy respondiendo a esto apresuradamente y semi-intuitivamente en lugar de hacer la debida diligencia de cálculo. Pero ha pasado una semana, así que alguna corrección parece mejor que ninguna.
Sólo significa que pueden hacer que un par de qubits vuelvan al estado en el que estaban originalmente, y pueden hacerlo de una manera determinable. En ese universo tan pequeño todas las fuerzas EM, y las fuerzas EM determinan esencialmente el tiempo (como si tuviéramos un gazillón o un número infinito de fuerzas EM en nuestro universo que determinan el tiempo), fueron a un estado en el que habían estado previamente, esto sería imposible en nuestro universo más grande. No es un viaje en el tiempo, es solo que los físicos controlan un universo muy pequeño.
No! Los científicos no "invirtieron el tiempo" ni "rompieron una ley de la física".
Lo que realmente ocurre es que algunos procesos son reversibles. La entropía puede disminuir localmente. Esto lo sabemos desde hace mucho tiempo. Y por lo tanto ciertos procesos pueden volver a su estado original. Pero en este caso esta idea fue malinterpretada como inversión del tiempo porque algunas personas piensan que la entropía nunca disminuye y si disminuye, significa que el tiempo fluye hacia atrás.
Pero eso no es en absoluto cierto.
¡¡Mis excusas por las palabras ofensivas que he utilizado!! ¡¡Así que permítanme responder de manera amable y amistosa!!
Desde luego, no estoy de acuerdo con esta cita [de (Phys.org, 2019-03-13)]:
Investigadores del Instituto de Física y Tecnología de Moscú se asociaron con colegas de Estados Unidos y Suiza y devolvieron el estado de un ordenador cuántico a una fracción de segundo en el pasado.
Si el estado del ordenador se devolviera una fracción al pasado habría desaparecido en el aire y no volvería del pasado sino que se quedaría allí.
Se supone que el pasado sigue existiendo (¿cómo, si no, se puede dejar que algo vuelva a él?), como pensaba Einstein (y muchos otros), que decía que el pasado, el presente y el futuro son sólo una ilusión y que los tres existen juntos en el mismo "tiempo". Esto es sólo una conjetura y muy metafísica, debo añadir.
El interpretación de muchos mundos de la mecánica cuántica (¡que no es en absoluto la mía!) está fuertemente ligada a este punto de vista, para ocuparse de la conservación de la energía (el objeto devuelto en el tiempo ha desaparecido de aquí, por lo que parece que se viola la conservación, pero en el caso de los muchos mundos aparece en otro de los muchos mundos por lo que la energía/masa se conserva, sólo que dividida de forma diferente entre los muchos mundos).
La inversión del tiempo sólo aparece si todo lo que se mueve en una dirección (la velocidad de las partículas, la expansión del espaciotiempo, etc.) se cambia a su dirección opuesta.
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