Por un segundo de tiempo, una computadora cuántica hizo que la historia retrocediera

En “El curioso caso de Benjamin Button”, una historia de F. Scott Fitzgerald y luego una película protagonizada por Brad Pitt, un hombre envejece: nace viejo, retrocede con los años y muere como un bebé.

Esto no se ve típicamente en la vida normal. La pregunta es, ¿por qué no?

En lo que equivale a un triunfo tecnológico para los aspirantes a Benjamin Buttons del mundo virtual, un equipo de físicos cuánticos informó a principios de este año que habían logrado crear un algoritmo informático que actúa como la Fuente de la Juventud.

Utilizando un ordenador cuántico IBM, consiguieron deshacer el envejecimiento de una sola partícula elemental simulada en una millonésima de segundo. Pero fue una victoria pírrica en el mejor de los casos, que requirió manipulaciones tan poco probables de ocurrir naturalmente que sólo reforzó la noción de que estamos atrapados indefensos en el flujo del tiempo.

La mayoría de nosotros ya sentimos que los átomos de un huevo revuelto no pueden ser descifrados dentro de una cáscara prístina. Ahora parece que, en condiciones generales, ni siquiera una sola partícula puede retroceder sin ayuda y un cuidadoso retoque.

“Demostramos que la inversión de tiempo de una sola partícula cuántica es una tarea insuperable sólo para la naturaleza”, dijo Valerii M. Vinokur, del Laboratorio Nacional Argonne, en un mensaje de correo electrónico; es uno de los cinco aspirantes a señores del tiempo dirigidos por Gordey B. Lesovik del Instituto de Física y Tecnología de Moscú.

“El sistema de dos partículas es aún más irreversible, y mucho menos los huevos, que contienen miles de millones de partículas, que rompemos para preparar una tortilla.”

Jugar al billar cuántico

Sobre el papel, las leyes básicas de la física son reversibles; funcionan matemáticamente tanto si el tiempo avanza como si retrocede. Pero si el tiempo es sólo otra dimensión del espacio-tiempo, como dijo Einstein, es una extraña dimensión unidireccional. En el mundo real podemos salir del metro y girar a la izquierda o a la derecha, pero no tenemos la opción de avanzar o retroceder en el tiempo. Siempre nos dirigimos hacia el futuro.

Parecemos estar a merced de la segunda ley de la termodinámica, que establece que el desorden y la complejidad sólo aumentan en un sistema cerrado como, por ejemplo, el universo. Por lo tanto, los átomos de un huevo nunca se descifran por sí mismos, en parte porque hay incontables más maneras de que se descifren completamente que de que se vuelvan a ensamblar con éxito.

Pero la flecha del tiempo toma su dirección no sólo de los grandes números. Según la teoría cuántica, ese cuerpo paradójico de reglas que gobiernan el universo subatómico, ni siquiera una sola partícula puede revertir su propio curso a través del tiempo.

El principio de incertidumbre, que se encuentra en el corazón de la mecánica cuántica, establece que, en cualquier momento dado, se puede especificar la ubicación o la velocidad de una partícula subatómica, pero no ambas. Como resultado, una partícula tal como un electrón, o un sistema de ellos, es representada por una entidad matemática llamada función de onda, cuya magnitud es una medida de la probabilidad de encontrar una partícula en un lugar o condición particular.

La función de onda se extiende por todo el espacio y el tiempo. La ley que describe su evolución, conocida como la ecuación de Schrödinger, en honor al físico austríaco Erwin Schrödinger, es igualmente válida tanto hacia adelante como hacia atrás. Pero conseguir que una función de onda vaya en reversa no es un truco pequeño.

El Dr. Vinokur comparó el desafío con enviar una bola de billar a toda velocidad de vuelta al punto de partida. Parece fácil: Sólo pégale con un palo de billar. Pero si es una bola cuántica, el principio de incertidumbre se activa: Usted puede saber cuán difícil es golpear la pelota, o en qué dirección golpearla, pero no ambas cosas.

“Debido al principio de incertidumbre, la bola cuántica nunca regresará al punto de origen”, dijo el Dr. Vinokur.

Además, en la mecánica cuántica, la bola es en realidad una ola: Una vez que se conoce su ubicación, se propaga como ondas en un estanque y evoluciona. Hacerlo retroceder requiere más que un empujón con un palo de billar. Requiere invertir las fases de las olas, convertir las crestas en canales, y así sucesivamente, una operación demasiado compleja para que la naturaleza la lleve a cabo por sí misma.

Sí, no y tal vez

Entra en el ordenador cuántico.

A diferencia de los ordenadores normales, que procesan una serie de ceros y unos, o bits, los ordenadores cuánticos están hechos de los llamados qubits, cada uno de los cuales puede ser cero y uno al mismo tiempo. Una computadora cuántica puede realizar miles o millones de cálculos simultáneamente, siempre y cuando nadie mire cuál es la respuesta hasta el final.

Muchas de las compañías tecnológicas más grandes, incluyendo Google, Microsoft e IBM, están compitiendo para construir tales máquinas, que eventualmente podrían resolver problemas que las computadoras regulares no pueden, tales como romper los códigos criptográficos actualmente indescifrables. Algunos científicos argumentan que la naturaleza misma es una computadora cuántica, y que la mayor utilidad de tal computadora será para simular y explorar las paradojas de la rareza cuántica.

El Dr. Lesovik y sus colegas se propusieron hacer precisamente eso. Querían intentar hacer retroceder una función de onda, utilizando un ordenador cuántico IBM que está disponible en línea para el público.

“Está por verse”, escribió el equipo en su artículo publicado en línea en febrero, “si la irreversibilidad del tiempo es una ley fundamental de la naturaleza o si, por el contrario, podría ser eludida”.

La computadora de IBM que usaron representa un pequeño paso en la dirección de lo que los teóricos llaman “supremacía cuántica”. Tenía sólo 5 qubits (los dispositivos IBM con 16 y 20 qubits también están disponibles), en comparación con el ordenador “Bristlecone” de 72 qubits de Google. Para simplificar aún más las cosas, el grupo sólo utilizó dos o, a veces, tres de las qubits.

El experimento de inversión de tiempo fue un proceso de cuatro pasos. Primero, los qubits fueron tomados en un simple estado inicial que imitaba “un átomo artificial”, dijo el Dr. Vinokur. Además, las dudas se enredaron, por lo que Einstein llamó “acción espeluznante a distancia” – lo que le pasó a un qubit afectó las mediciones del otro (o dos, dependiendo de cuántos se desplegaron).

Luego el equipo tocó los qubits con una serie de pulsos de radio de microondas, que los empujaron de un estado simple a otro más complejo. Después de una millonésima de segundo, los científicos detuvieron esta fase – “el programa de evolución”- y trataron los qubits con otro pulso de microondas, para revertir su fase y prepararlos para involucionar a su juventud.

“En lenguaje gráfico, convertimos los anillos que se extienden en el estanque en anillos que están listos para volver a su origen”, dijo el Dr. Vinokur. Eso tomó otra millonésima de segundo.

Finalmente, el equipo volvió a activar el programa de “evolución”. Y los qubits volvieron a su alineación original, a su propio pasado. En efecto, tienen una millonésima de segundo menos.

El algoritmo casi siempre funcionaba. Consiguió devolver las qubits a sus estados juveniles el 85 por ciento de las veces que el cálculo implicaba dos qubits, pero sólo la mitad de las veces que se utilizaban tres qubits. Los autores atribuyen la menor fiabilidad a las imperfecciones en el ordenador cuántico, y a la tendencia de las qubits a caer fuera de sincronía cuando su número aumenta.

En última instancia, se necesitarán máquinas con cientos de qubits para alcanzar las ambiciones de los matemáticos cuánticos. Cuando esas computadoras estén disponibles, el algoritmo de inversión de tiempo del equipo podría usarse para probarlas, señaló en un comunicado de prensa del Instituto de Física y Tecnología de Moscú Andrey V. Lebedev, físico de la ETH Zurich en Suiza y autor del artículo.

Mientras tanto, cualquier persona con un ordenador cuántico puede jugar a Benjamin Button, usando su algoritmo. “Ahora todo el mundo puede rejuvenecer”, dijo el Dr. Vinokur.

Al menos, pueden hacerlo en los muchos mundos del ciberespacio. En la vida real, el envejecimiento de incluso una sola partícula sigue siendo demasiado complicado para que la naturaleza lo deshaga. Estamos atascados envejeciendo, corriendo por el río del tiempo.