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Grupo de físicos confirma la irreversibilidad termodinámica en sistemas cuánticos

Por primera vez, un grupo de físicos han realizado un experimento que confirmaría que que los procesos termodinámicos son irreversibles en un sistema cuántico, lo que significa que, aún a niveles cuánticos, no puedes poner un huevo roto de vuelta a su cascarón. Los resultados tienen implicaciones para comprender la termodinámica que se produce en los sistemas cuánticos y, a su vez, diseñar computadoras cuánticas y otras tecnologías de información cuántica.

Los físicos, Tiago Batalahao, de la Universidad Federal de ABC en Brasil, y sus coautores, han publicado su artículo sobre la demostración experimental de la irreversibilidad termodinámica cuántica en una reciente edición de la revista Physical Review Letters.

La irreversibilidad en el nivel cuántico puede parecer obvia para la mayoría de las personas porque coincide con nuestras observaciones del mundo cotidiano: macroscópico. Sin embargo, no es tan sencillo para los físicos porque las leyes microscópicas de la física, como la ecuación de Schordinger, son simétricas en el tiempo o irreversibles. En teoría, los procesos microscópicos hacia adelante o hacia atrás son indistinguibles.

En realidad, sin embargo, solo observamos procesos hacia adelante, no reversibles, como cáscaras de huevo rotas que se vuelven a juntar. Está claro que, a nivel macroscópico, las leyes van en contra de lo que observamos. Ahora el nuevo estudio muestra que las leyes no coinciden con lo que sucede a nivel cuántico, tampoco.

Observar procesos termodinámicos en un sistema cuántico es muy difícil y no se había hecho hasta ahora. En el experimento, los científicos midieron el cambio de entropía que ocurre cuando se aplica un campo magnético oscilante a átomos de carbono 13 en cloroformo líquido. Primero aplicaron un pulso de campo magnético que causa que que los giros nucleares de los átomos se volteen y luego aplicaron el pulso en reversa para hacer que los giros experimentaran la dinámica invertida.

Si el procedimiento fuera reversible, los giros habrían regresado a su punto de partida, pero no lo hicieron. Básicamente, los pulsos magnéticos hacia adelante y hacia atrás se aplicaron tan rápidamente que el giro de los giros no siempre se mantuvo, por lo que los giros se salieron de equilibrio. Las mediciones de los giros indicaron que la entropía estaba aumentando en los sistemas aislados, lo que mostraba que el proceso termodinámica cuántico era irreversible.

Al demostrar que la irreversibilidad termodinámica se produce incluso a nivel cuántico, los resultados revelan que la irreversibilidad termodinámica emerge también a una escala microscópica. Este hallazgo hace que la pregunta de por qué las leyes microscópicas de la física no coincidan con nuestras observaciones sea aún más apremiante. Si las leyes son realmente reversibles entonces ¿cuáles son los orígenes físicos de la producción de entropía asimétrica en el tiempo que observamos?

Los físicos explican que la respuesta a esta pregunta radica en la elección de las condiciones iniciales. Las leyes microscópicas permiten procesos reversibles solo porque comienzan con un “proceso de equilibrio genuino para el cual la producción de entropía desaparece en todo momento”, escriben los científicos en el artículo. La preparación del estado inicial ideal en un sistema físico es extremadamente complejo y los estados iniciales de todos los procesos observados no están en equilibrio genuino, por lo que conducen a procesos irreversibles.

“Nuestro experimento muestra la naturaleza irreversible de la dinámica cuántica, pero no identifica, experimentalmente, que lo causa a nivel microscópico, lo que determina el inicio de la flecha del tiempo”, dijo el coautor del estudio, Mauro Pateronostro, de la Queen´s University en Belfast, Reino Unido, en una entrevista para phys.org. “Abordarlo aclararía la razón última de su aparición”.

Los investigadores tienen esperanzas de aplicar la nueva comprensión de la termodinámica a nivel cuántico a las tecnologías cuánticas de alto rendimiento.

Cualquier progreso hacia la gestión de procesos termodinámicos de tiempo finito a nivel cuántico es un paso adelante hacia la realización de una termo máquina completa que pueda explotar las leyes de la mecánica cuántica para superar las limitaciones de rendimiento de los dispositivos clásicos.

Este trabajo muestra las implicaciones para la reversibilidad (o la falta de ella) de la dinámica cuántica no equilibrada. Una vez que la caractericemos podemos aprovecharla a nivel tecnológico.

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Traducido y editado por Julio García

Referencia: https://phys.org/news/2015-12-physicists-thermodynamic-irreversibility-quantum.html

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