Las leyes fundamentales que gobiernan el flujo de calor (específicamente, que el calor siempre se mueve de los objetos más calientes a los más fríos) pueden requerir una revisión a nivel cuántico. Una nueva investigación demuestra la aparente inversión de este principio utilizando una molécula de ácido crotónico, lo que podría obligar a una reevaluación de la segunda ley de la termodinámica.
Inversión del flujo de calor cuántico
Investigadores dirigidos por Dawei Lu de la Universidad de Ciencia y Tecnología del Sur de China manipularon los estados cuánticos de los átomos de carbono dentro de una molécula de ácido crotónico (un compuesto que contiene carbono, hidrógeno y oxígeno). Estos átomos funcionaban como qubits (las unidades fundamentales de la computación cuántica) y estaban controlados mediante radiación electromagnética. En lugar de que el calor fluya de los qubits más cálidos a los más fríos como se esperaba, el equipo diseñó un flujo inverso, empujando el calor de los qubits de menor temperatura hacia los más calientes.
Este resultado desafía la termodinámica clásica, donde tal proceso requeriría un aporte de energía externa. Sin embargo, en el ámbito cuántico, el equipo aprovechó un recurso llamado “coherencia” (una forma de información cuántica) para impulsar eficazmente esta transferencia de calor hacia atrás. Según Lu, “al inyectar y controlar esta información cuántica, podemos invertir la dirección del flujo de calor”.
El papel de la temperatura aparente
La aparente violación de la segunda ley no es necesariamente un defecto de la ley en sí, sino más bien una limitación de su formulación tradicional. La segunda ley se estableció en el siglo XIX, antes del desarrollo de la física cuántica. Para conciliar esta discrepancia, Lu y sus colegas calcularon una “temperatura aparente” para cada qubit. Esta temperatura ajustada tiene en cuenta propiedades cuánticas como la coherencia, restaurando la validez de la segunda ley al garantizar que el calor fluya de temperaturas aparentes más altas a más bajas.
Recursos cuánticos y termodinámica
Roberto Serra, de la Universidad Federal ABC de Brasil, sugiere que las propiedades cuánticas como la coherencia deberían considerarse un recurso termodinámico, similar a cómo el calor impulsa una máquina de vapor. La manipulación de estos recursos microscópicos permite violaciones aparentes de la termodinámica tradicional. “Pero las leyes habituales de la termodinámica se desarrollaron pensando que no tenemos acceso a estos estados microscópicos. Esto es sólo una aparente violación porque tenemos que escribir nuevas leyes considerando que tenemos este acceso”, explica Serra.
Implicaciones para la computación cuántica
El equipo de investigación pretende traducir este experimento de inversión de calor en un método práctico para el control térmico de qubits. Esto tiene importantes implicaciones para la computación cuántica, donde la gestión eficiente del calor es crucial. Las estrategias de enfriamiento mejoradas podrían mejorar la estabilidad y el rendimiento de los qubits, e incluso informar el desarrollo de computadoras convencionales, ya que el sobrecalentamiento sigue siendo una limitación fundamental en todos los sistemas informáticos.
Esta investigación destaca la profunda interacción entre la información cuántica y la termodinámica, lo que sugiere que nuestra comprensión del flujo de calor debe evolucionar para adaptarse a las reglas únicas que gobiernan el mundo cuántico.
