Crean un motor cuántico que trabaja y produce refrigeración al mismo tiempo

CIENCIAS EXACTAS: FÍSICA CUÁNTICA.

Una máquina suele generar trabajo o gastar energía para enfriar. Pero un nuevo experimento demuestra que, en el mundo cuántico, ambas cosas pueden suceder al mismo tiempo sin romper las leyes de la física.

Recreación artística de un motor cuántico capaz de producir trabajo y refrigeración simultáneamente. ChatGPT, César Noragueda.

Un motor convierte calor en trabajo y un frigorífico emplea electricidad para trasladarlo de una zona fría a otra más caliente. Un aparato que cumpla ambos cometidos suena a truco o energía gratuita.

La pregunta humana que sostiene un estudio al respecto, publicado en Physical Review Letters, es mucho más sencilla que sus ecuaciones: ¿cabe construir un dispositivo que enfríe una fuente y entregue trabajo útil sin quebrantar las leyes físicas? Para contestarla conviene entender por qué el calor avanza en una sola dirección y cómo la mecánica cuántica altera los dos procesos.

Investigadores de varias instituciones internacionales han examinado esa posibilidad mediante una simulación óptica de un ciclo de Otto cuántico. Todo gira alrededor de una propiedad poco intuitiva: dos interacciones pueden carecer de un “antes” y un “después” definidos.

Antes del hallazgo: qué hace realmente un frigorífico.

El calor no es una sustancia, sino energía transferida debido a una discordancia térmica. Si dejamos una taza humeante sobre la mesa, el líquido acaba igualándose con el ambiente: su contenido cede energía al entorno. Ese flujo espontáneo circula de lo caliente hacia lo frío, como una pelota que baja por una pendiente.

"La termodinámica no impide empujar energía térmica hacia una región más cálida; simplemente exige pagar ese desplazamiento con trabajo".

Un frigorífico obliga al calor a subir la cuesta en sentido contrario. Lo extrae de su interior y lo expulsa a la cocina, donde la temperatura es mayor. Para conseguirlo necesita trabajo, aportado por el compresor. La termodinámica no impide empujar energía térmica hacia una región más cálida; simplemente exige pagar ese desplazamiento con trabajo.

Una bomba que eleva agua desde un valle hasta un depósito sirve como analogía. Bajaría sola, pero remontarla exige un mecanismo alimentado desde fuera. De modo parecido, una nevera no “crea frío”: retira calor de su recinto y lo descarga en otro lugar.

Un motor térmico saca partido del descenso natural. Toma calor de una fuente caliente, transforma una fracción en trabajo y entrega el resto a otra más fría. Ambos parecen ejercer oficios incompatibles: uno obtiene rendimiento dejando que la energía caiga, mientras que el segundo lo consume para forzarla a ascender.

Lo importante es la secuencia de los acontecimientos.

La física cotidiana asume que dos acciones siguen una cronología definida. Primero abrimos una puerta y luego la cruzamos; antes mezclamos los ingredientes y después horneamos. Siempre hay una versión concreta: A precedió a B, o B ocurrió antes que A.

La mecánica cuántica admite mantener ambas secuencias en superposición. No significa que ignoremos cuál sucedió, como al ocultar una moneda lanzada. El cúbit (del que más adelante hablaremos) conserva coherentemente las dos posibilidades: A antes que B y B antes que A. Esa condición se denomina orden causal indefinido.

El interruptor cuántico organiza esa coexistencia de órdenes. En una rama, atraviesa primero un canal térmico y, después, otro; por la segunda, las afronta en sentido inverso. Cada conducto conduce al objeto hacia un estado asociado con cierta temperatura.

Recreación artística de la superposición de dos secuencias de acontecimientos en un sistema cuántico. ChatGPT, César Noragueda.

Una receta cocinada en dos órdenes simultáneos aclara la idea. En el mundo clásico escogeríamos una ruta, pero el interruptor cuántico retiene ambas y provoca que interfieran, como dos ondas capaces de reforzarse o anularse. Lo extraordinario no radica en disponer de caminos alternativos, sino en mantenerlos juntos y extraer consecuencias de su encuentro.

Cuando el calor parece escoger la dirección equivocada.

El experimento utiliza fotones, las partículas que forman la luz, para simular el operación del motor. Una de sus propiedades, la polarización, figura como el estado térmico del cúbit, mientras que el camino que sigue cada fotón indica el orden en que atraviesa dos procesos distintos.

Un interferómetro, un dispositivo que divide un haz de luz y después vuelve a unirlo, envía los fotones por dos caminos dispares. En uno pasan primero por un proceso y luego por el otro; en el segundo sucede justo al revés. Al reunirse de nuevo, ambas rutas permanecen superpuestos, como si las dos secuencias hubieran ocurrido al mismo tiempo.

"Un dispositivo divide un haz de luz, envía los fotones por dos caminos dispares con procesos opuestos y, al reunirse de nuevo, ambas rutas permanecen superpuestas, como si las dos secuencias hubieran ocurrido al mismo tiempo".

Ahí está la diferencia crucial. En una de las máquinas a las que nos hemos acostumbrado, el orden de las interacciones queda fijado desde el principio y, por tanto, también lo hace la forma en que circula el calor. Aquí ocurre algo distinto: mientras no se realice la medida, ninguna de las dos secuencias se impone sobre la otra y ambas contribuyen simultáneamente a la evolución conjunta.

Los investigadores preparan entonces un cúbit de control en una combinación coherente de dos estados. Un cúbit es la unidad básica de información cuántica y, en contraste con un bit convencional, puede representar dos posibilidades al mismo tiempo. Al finalizar esa secuencia, el equipo mide ese cúbit de control y obtiene uno de dos posibles resultados.

Esa medición no crea el fenómeno, sino que revela cuál de las dos historias cuánticas se ha materializado. En una de ellas, el intercambio de calor sigue el respuesta habitual; en la otra, surge un efecto inesperado: dentro de determinados intervalos, el calor puede fluir desde canales más fríos hacia un cúbit más caliente o una entidad fría puede ceder energía a reservorios todavía más cálidos.

Esa anomalía tampoco se da en todas las mediciones. Solo se presenta cuando el cúbit de control arroja la lectura adecuada. Si se ignora ese dato y se mezclan todos los ensayos, el balance térmico vuelve a coincidir con el previsto por la termodinámica clásica. El intercambio aparentemente anómalo solo emerge cuando se distinguen las dos historias cuánticas.

Cómo el motor cuántico puede enfriar y producir trabajo.

El equipo incorpora ese flujo extraño a un ciclo de Otto modificado, el modelo teórico que describe el principio básico de los motores de gasolina de cuatro tiempos. En un automóvil, ese ciclo describe cómo el combustible libera energía para mover los pistones. En esta investigación, no hay cilindros ni explosiones: la sustancia de trabajo es un cúbit, pero la lógica general del ciclo se mantiene. La diferencia es que una de sus etapas se sustituye por una interacción con orden causal indefinido.

La fase inicial amplía la distancia entre sus dos niveles con energía externa. Esa variación eleva la temperatura efectiva del cúbit y lo prepara para entrar en contacto con la fuente fría.

"Al cerrar el ciclo, la máquina ha absorbido energía térmica de la fuente fría, expulsado una parte hacia la caliente y convertido otra porción en rendimiento útil".

A continuación, el cúbit absorbe calor del depósito frío. La aparente contradicción nace de que el propio cúbit está más caliente. La superposición causal y el desenlace adecuado abren una rama donde la energía entra desde el foco de menor temperatura.

La tercera maniobra reduce la separación energética y entrega trabajo al exterior. Luego, el cúbit libera calor al reservorio caliente y recupera su configuración inicial. Al cerrar el ciclo, la máquina ha absorbido energía térmica de la fuente fría, expulsado una parte hacia la caliente y convertido otra porción en rendimiento útil.

El dispositivo actúa como frigorífico y motor dentro del ciclo. No son dos aparatos acoplados ni tareas independientes.

Recreación artística de un interferómetro cuántico con dos recorridos de luz superpuestos. ChatGPT, César Noragueda.

Por qué no viola la segunda ley de la termodinámica.

A primera vista, el experimento parece desafiar la segunda ley de la termodinámica, una de las reglas fundamentales de la física. En términos sencillos, esa ley establece que el calor fluye espontáneamente de los cuerpos más calientes a los más fríos y que, para invertir ese sentido, siempre hay que aportar trabajo. Por eso, un frigorífico necesita electricidad para extraer calor de su interior.

La clave reside en la informaciónnecesariapara identificar las ejecuciones que generan el fenómeno deseado. El fruto de la medida del cúbit de control debe registrarse para distinguir esos casos del resto y conservar únicamente los que interesan.

Por eso,el estudio recurre al famoso demonio de Maxwell, una criatura imaginaria propuesta en el siglo XIX precisamente para poner a prueba esa segunda ley. El demonio observa las moléculas de un gas y abre o cierra una compuerta según su velocidad, separando las más rápidas de las lentas. A primera vista, parecería capaz de concentrar el calor sin gastar energía y, por tanto, de burlar esa ley. Sin embargo, para decidir qué moléculas deja pasar necesita medirlas, anotar lo observado y borrar después su memoria. Ese último paso tiene un coste energético.

"La máquina no obtiene energía de la nada, sino que aprovecha un recurso que la termodinámica clásica no tenía que contabilizar: la información asociada al cúbit de control".

En la máquina cuántica sucede algo parecido. Para repetir el experimento, es necesario borrar el registro de la medición y dejar el montaje listo para un nuevo ciclo. Según el principio de Landauer, ese borrado exige disipar energía. Ese precio desempeña una función comparable a la del enchufe de una nevera.

Así, el truco no consiste en obtener energía gratis, sino en reconocer que lo aprendido durante la medición también tiene un precio físico.

La máquina no obtiene energía de la nada, sino que aprovecha un recurso que la termodinámica clásica no tenía que contabilizar: la información asociada al cúbit de control. Anotar la lectura, conservarlo mientras se seleccionan los ensayos válidos y borrar después esa memoria tiene un coste energético. Cuando ese coste también entra en el balance, la segunda ley de la termodinámica sigue cumpliéndose.

El análisis evidencia que no basta con escoger una receta u otra. Lo decisivo es que ambas secuencias de pasos permanezcan superpuestas mientras el proceso tiene lugar. Si desde el principio se obliga al cúbit a seguir un único orden, el calor recupera su curso habitual.

Lo que realmente cambia este descubrimiento.

El hallazgo no anuncia una nevera doméstica ni una fuente gratuita de electricidad. Es una demostración de principio con fotones, divisores de haz y canales térmicos simulados. Aún dista mucho de acabar proporcionando una máquina autónoma, macroscópica y comercial.

Su importancia está en ampliar qué elementos pueden servir como recursos físicos. La termodinámica clásica contabiliza temperaturas, calor y trabajo. La versión cuántica incorpora coherencia, información, mediciones y orden causal indefinido.

"La termodinámica clásica contabiliza temperaturas, calor y trabajo; la versión cuántica incorpora coherencia, información, mediciones y orden causal indefinido".

Este estudio muestra que “antes” y “después” no siempre son solo una forma de ordenar los acontecimientos. En el mundo cuántico, el propio orden en que ocurren dos procesos puede cambiar lo que ocurre al final. Cuando ese orden permanece indefinido, el intercambio de calor puede circular de un modo imposible para una máquina clásica.

El descubrimiento no derriba la termodinámica. Lo que hace es ampliar nuestra manera de entenderla. Hasta ahora, bastaba con tener en cuenta el calor, el trabajo y la temperatura. Este estudio indica que, en la escala cuántica, también pueden desempeñar un papel físico los datos y el orden en que suceden los procesos.

Una máquina lejana, un planteamiento ya decisivo.

Los investigadores han conseguido convertir una idea que hasta hace poco parecía una paradoja en un experimento que puede repetirse en el laboratorio. Para ello, montaron un dispositivo con cinco canales térmicos simulados y comprobaron que reproducía con gran precisión lo que anticipaba la teoría. En esas condiciones, el dispositivo era capaz de absorber calor de una fuente fría y, al mismo tiempo, producir trabajo.

Motor cuántico con un ciclo de Otto impulsado por un orden causal indefinido. Rosario Lo Franco.

Lograr ese efecto exige mucho más que construir tal dispositivo. Hay que mantener la superposición cuántica a lo largo de toda la operación, medir el cúbit de control y conservar únicamente las ejecuciones que producen el efecto perseguido. Después, ese registro debe borrarse para repetir el ciclo, un paso que también consume energía. Todo ello confirma que el experimento no ofrece un atajo para obtener energía gratis, pero sí que una noción imposible para la física clásica puede hacerse realidad en un montaje cuántico.

La consecuencia más profunda no es tecnológica, sino conceptual. Durante siglos, supusimos que una máquina dependía de las energías intercambiadas y de las piezas que la componen. Este estudio obliga a añadir otra variable: la estructura temporal de sus operaciones.

El motor cuántico obliga a considerar que el orden puede manipularse y gastarse. Quizá, nunca enfríe nuestra cocina, pero ya deja una enseñanza duradera: en el dominio cuántico, la naturaleza no solo saca partido de lo que sucede, sino que también explota la incertidumbre coherente acerca de qué ocurre primero.

Por: César Noragueda. Periodista especializado en cine, ciencia y pensamiento crítico.

Sitio Fuente: MuyInteresante