Los científicos utilizan la computadora cuántica para invertir el tiempo | Rompiendo la segunda ley de la termodinámica

• Los físicos han creado con éxito un estado cuántico que se mueve en la dirección opuesta a la flecha termodinámica del tiempo.
• Han demostrado este estado en computadoras cuánticas de 2 y 3 qubits.
• Podría usarse para hacer que las computadoras cuánticas sean más precisas al tiempo que se reducen los errores y el ruido.

¿Cómo surge la irreversibilidad de las leyes de la física aparentemente simétricas en el tiempo? Los científicos han estado tratando de encontrar la respuesta durante años.

En el marco de la mecánica estadística clásica, el problema está relacionado con la segunda ley de la termodinámica, que establece que la entropía en un sistema cerrado aumenta cuando la energía cambia de una forma a otra, o la materia se mueve libremente.

En 2018, investigadores rusos del Instituto de Física y Tecnología de Moscú informaron de la violación de la segunda ley de la termodinámica a través de un dispositivo conocido como demonio de Maxwell. Ahora, han abordado el problema desde un ángulo diferente:han desarrollado un estado cuántico que se mueve en la dirección opuesta a la flecha termodinámica del tiempo.

El equipo evaluó primero la probabilidad de que un electrón en el vacío viaje instintivamente a su pasado reciente. Descubrieron que la observación de 10 mil millones de electrones recién localizados cada segundo a lo largo de toda la vida del universo revelaría la evolución inversa del estado del electrón solo una vez.

Incluso en este caso, la partícula no viajaría más de un nanosegundo hacia el pasado. Es por eso que no observamos que las cosas vayan en tiempo inverso, porque eso requeriría un asombroso número de partículas desplegándose en escalas de tiempo mucho mayores.

Referencia:arXiv:1712.10057 | MIPT

El experimento de cuatro etapas

Los investigadores analizaron el estado de una computadora cuántica hecha de 2 y 3 qubits (bits cuánticos).

1. Pedido: Inicialmente, cada qubit está en el estado fundamental, lo que representa cero.
2. Degradación: Lanzar un "programa de evolución" para cambiar los estados de los qubits a unos y ceros, o ambos al mismo tiempo.
3. Inversión temporal: Un algoritmo único desarrollado en este estudio cambia la computadora cuántica de tal manera que luego se movería en la dirección contraria, del caos al orden.
4. Regeneración: Vuelva a lanzar el programa de evolución para rebobinar los estados de los qubits en el pasado.

Cortesía de investigadores

La computadora cuántica de 2 qubit volvió a su estado inicial en el 85% de los casos, mientras que la de 3 qubit mostró más errores, lo que resultó en una tasa de éxito del 50%. Los errores se produjeron debido a los defectos en la computadora cuántica existente. A medida que se desarrollen técnicas de computación cuántica más avanzadas, se espera que la tasa de error disminuya significativamente.

¿Qué sigue?

Este algoritmo de inversión de tiempo podría usarse para desarrollar computadoras cuánticas más precisas. En un futuro cercano, podría modificarse para probar el software escrito para computadoras cuánticas y reducir los errores y el ruido.

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Los esquemas desarrollados en este estudio se desplazaban uno por uno a través de los componentes de estado, pero no explotaban el paralelismo cuántico en toda su potencia. La siguiente pregunta es si es posible desarrollar un algoritmo cuántico que lleve a cabo la inversión en el tiempo de manera más eficiente que usando puertas elementales O (N).