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Diseñan el primer motor cuántico

La energía que genera el entrelazamiento y la medición cuánticas puede ser aprovechada para obtener un motor cuántico que funciona en base a procesos inducidos mediante cúbits y fotones en el interior de la máquina. La medición aporta energía e información al mismo tiempo.

Físicos del Instituto Néel (CNRS de Francia), en colaboración con las universidades estadounidenses de Rochester y Saint-Louis, han descubierto cómo obtener energía de los procesos cuánticos y utilizarla para poner en marcha un motor.

Se trata de un motor de nueva generación que funciona en base a dos procesos cuánticos muy complejos, el entrelazamiento y la medición.

El entrelazamiento cuántico describe una particularidad asombrosa de las partículas elementales: después de permanecer unidas durante un tiempo, comparten la misma identidad una vez separadas entre sí.

Cualquier cambio que provoquemos en una de esas partículas se reflejará instantáneamente en la otra partícula, aunque esté a miles de kilómetros de distancia. Por eso el entrelazamiento cuántico es la base de la teleportación y criptografía cuánticas.

Menos conocido es un segundo proceso llamado medición cuántica, otro de los enredos lógicos de la física de las partículas elementales.

La medición cuántica tiene un problema estructural: la mera observación de un sistema físico lo perturba. Es imposible conocer su estado natural antes de la observación o medición. Nunca conocemos a la naturaleza básica en estado virginal.

Formulado de otra manera, el dilema es el siguiente: ¿cómo es posible explicar, en una medición cuántica, el valor definido de los observables del aparato macroscópico, cuando desde el punto de vista cuántico, el sistema se encuentra en una superposición de estados? (Olímpia Lombardi y Leonardo Vanni, 2010).

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Huella energética

Lo que los físicos pretenden es no solo medir un sistema cuántico, sino medir también (y eventualmente aprovechar) la huella energética que genera el mismo acto de la medición.

Esa huella energética forma parte de una disciplina emergente, la termodinámica cuántica, que abarca dos ciencias diferentes: la física cuántica y la termodinámica estadística, que conecta la descripción microscópica de la naturaleza con la macroscópica.

El mero hecho de la medición cuántica implica dos procesos energéticos paralelos cuya articulación resulta complicada. Por un lado, obtener información sobre un sistema cuántico genera un costo energético impreciso.

Por otro lado, la medición cuántica induce fluctuaciones cuánticas que están asociadas a cambios en la energía y la entropía del sistema observado.

De esta forma, la medición cuántica manifiesta un potencial energético doble: observar un sistema consume energía (y deja una huella energética), al mismo tiempo que provoca cambios en el sistema observado que alteran su temperatura (y provoca también una huella energética).

Tal como explican los investigadores en un comunicado, con estos elementos es posible construir un motor que aprovecha la huella energética que genera la medición cuántica en ambos procesos.

Esquema del motor acoplado de dos cúbits. Un pulso rojo excita el cúbit rojo. La excitación se deslocaliza bajo el efecto del acoplamiento, generando un estado de entrelazamiento entre los dos cúbits. Por lo tanto, un demonio que mide el cúbit azul tiene una probabilidad distinta de cero de detectar la excitación en este cúbit, lo que da como resultado una ganancia neta de energía. En última instancia, el demonio puede utilizar la información adquirida durante su medición para extraer energía en forma de trabajo, desenergitizando el cúbit azul de forma controlada con un impulso azul. (Crédito: Alexia Auffèves, Institut Néel).

Motor cúbit

Lo consigue conciliando los dos aspectos de la medición cuántica en un escenario teórico (el motor) que se basa en cúbits o bits cuánticos (la unidad básica de la informática cuántica), que aquí se utilizan como fuente de información. En 2018 ya se constató que el Principio de Landauer (1961), según el cual escribir o borrar información genera algo de energía, se da también en un sistema cuántico.

El motor cuántico se construye con cúbits a diferentes frecuencias que se combinan con fotones. En ese juego casi mágico, en el que los cúbits acaban entrelazados cuánticamente, se produce una ganancia neta de energía.

Los investigadores destacan que esta ganancia neta de energía es totalmente original, ya que procede del mecanismo de medición cuántico sin equivalente clásico: es producida únicamente por la observación del sistema cuántico del motor.

Así se consigue replicar con fines energéticos uno de los procesos asociados a la medición cuántica.

El segundo aspecto se consigue introduciendo en el motor un tercer objeto cuántico (además de los cúbits y electrones), una especie de aguja, que desempeña el papel de medición y modula el entrelazamiento cuántico desencadenado en el primer proceso.

El análisis de este segundo aspecto, según los investigadores, confirma que también se origina un flujo de energía cuando los cúbits entrelazados migran hacia la aguja.

La energía de esta fase de la medición se genera como resultado de haber borrado las correlaciones cuánticas entre los cúbits entrelazados, por el mero hecho de haber introducido una aguja de medición en el motor.

A vueltas con el demonio de Maxwell

Los investigadores explican su desarrollo de la siguiente forma: en la llamada paradoja del demonio de Maxwell, un demonio usa la información adquirida sobre los estados microscópicos de un gas para producir un motor que opera a partir de una sola fuente caliente (el llamado motor monotérmico), en aparente violación del segundo principio de termodinámica (la entropía tiende a aumentar).

Esta paradoja se resuelve invocando la naturaleza física de la información: la memoria del demonio debe restablecerse antes de reiniciar un ciclo del motor, que requiere una fuente fría.

El experimento propuesto por estos investigadores se basa en un mecanismo similar, con la diferencia de que el recurso energético no proviene de una fuente caliente, sino de la propia medición, que aporta energía e información al mismo tiempo.

Nueva perspectiva

Los resultados de esta investigación, que se publican en la revista Physical Review Letters, ofrecen una perspectiva nueva sobre el postulado de la medición cuántica, cuya posición dentro de la teoría cuántica aún no es objeto de consenso, destacan los investigadores.

No obstante, advierten también que los resultados obtenidos son válidos en ausencia de ruido térmico, ya que la única fuente de fluctuaciones considerada es la propia medición cuántica.

Esta limitación plantea la necesidad de estudiar, desde esa nueva perspectiva, los flujos de energía, entropía e información que se producen dentro de sistemas cuánticos complejos, ya que padecen ruido cuántico arbitrario que dificulta la obtención de energía.

Los investigadores citan concretamente a los procesadores cuánticos, ya que se necesita comprender mejor los mecanismos energéticos fundamentales implicados en su funcionamiento, si se quiere reducir significativamente su consumo de energía.

Referencia

Two-Qubit Engine Fueled by Entanglement and Local Measurements. Léa Bresque et al. Phys. Rev. Lett. 126, 120605.24 March 2021. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.120605

Foto superior: Compare Fiber en Unsplash

Eduardo Martínez de la Fe

Eduardo Martínez de la Fe

Eduardo Martínez de la Fe, periodista científico, es el Editor de Tendencias21.

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