En un descubrimiento innovador, los investigadores de la Universidad de Nagoya en Japón y la Academia de Ciencias Eslovaco han presentado nuevas ideas sobre la interacción entre la teoría cuántica y la termodinámica. El equipo demostró que si bien la teoría cuántica no prohíbe inherentemente las violaciones de la segunda ley de la termodinámica, los procesos cuánticos pueden implementarse sin violar realmente la ley. Este descubrimiento, publicado en Información cuántica de NPJdestaca una coexistencia armoniosa entre los dos campos, a pesar de su independencia lógica. Sus hallazgos abren nuevas vías para comprender los límites termodinámicos de las tecnologías cuánticas, como la computación cuántica y los motores a nanoescala.
Este avance contribuye a la exploración de larga data de la segunda ley de la termodinámica, un principio a menudo considerado como uno de los más profundos y enigmáticos en física. La segunda ley afirma que la entropía, una medida de desorden en un sistema, nunca disminuye espontáneamente. También establece que un motor de operación cíclicamente no puede producir un trabajo mecánico extrayendo calor de un solo entorno térmico y subraya el concepto de un flujo de tiempo unidireccional.
A pesar de su papel fundamental, la segunda ley sigue siendo uno de los principios más debatidos y mal entendidos de la ciencia. El centro de este debate es la paradoja del «Demonio de Maxwell», un experimento mental propuesto por el físico James Secretario Maxwell en 1867.
Maxwell imaginó un ser hipotético, el demonio, capaz de clasificar moléculas rápidas y lentas dentro de un gas en equilibrio térmico sin gastar energía. Al separar estas moléculas en regiones distintas, el demonio podría crear una diferencia de temperatura. A medida que el sistema vuelve al equilibrio, se extrae el trabajo mecánico, aparentemente desafiando la segunda ley de la termodinámica.
La paradoja ha intrigado a los físicos durante más de un siglo, planteando preguntas sobre la universalidad de la ley y si depende del conocimiento y las capacidades del observador. Las soluciones a la paradoja se han centrado en gran medida en el tratamiento del demonio como un sistema físico sujeto a leyes termodinámicas. Una solución propuesta está borrando la memoria del demonio, lo que requeriría un gasto de trabajo mecánico, compensando efectivamente la violación de la segunda ley.
Para explorar más este fenómeno, los investigadores desarrollaron un modelo matemático para un «motor demoníaco», un sistema impulsado por el demonio de Maxwell. Su enfoque se basa en la teoría de los instrumentos cuánticos, un marco introducido en los años setenta y ochenta para describir las formas más generales de medición cuántica.
El modelo implica tres pasos: el demonio mide un sistema objetivo, luego extrae el trabajo de él acoplándolo a un entorno térmico y finalmente borra su memoria al interactuar con el mismo entorno.
Usando este marco, el equipo derivó ecuaciones precisas para el trabajo gastado por el demonio y el trabajo que extrae, expresado en términos de medidas de información cuántica, como la entropía de von Neumann y la ganancia de información Groenewold-Ozawa. Al comparar estas ecuaciones, obtuvieron un resultado sorprendente.
«Nuestros resultados mostraron que bajo ciertas condiciones permitidas por la teoría cuántica, incluso después de tener en cuenta todos los costos, el trabajo extraído puede exceder el trabajo gastado, aparentemente violando la segunda ley de la termodinámica», explicó Shintaro Minagawa, investigador principal en el proyecto. «Esta revelación fue tan emocionante como inesperada, desafiando la suposición de que la teoría cuántica es inherentemente 'a prueba de demonios'. Hay esquinas ocultas en el marco donde el demonio de Maxwell aún podría hacer su magia «.
A pesar de estas lagunas, los investigadores enfatizan que no representan una amenaza para la segunda ley. «Nuestro trabajo demuestra que, a pesar de estas vulnerabilidades teóricas, es posible diseñar cualquier proceso cuántico para que cumpla con la segunda ley», dijo Hamed Mohammady. «En otras palabras, la teoría cuántica podría romper la segunda ley de la termodinámica, pero en realidad no tiene que hacerlo. Esto establece una armonía notable entre la mecánica cuántica y la termodinámica: siguen siendo independientes pero nunca fundamentalmente en desacuerdo».
Este descubrimiento también sugiere que la segunda ley no impone limitaciones estrictas a las mediciones cuánticas. Cualquier proceso permitido por la teoría cuántica se puede implementar sin violar los principios termodinámicos. Al refinar nuestra comprensión de esta interacción, los investigadores apuntan a desbloquear nuevas posibilidades para las tecnologías cuánticas mientras mantienen los principios atemporales de la termodinámica.
«Una cosa que mostramos en este artículo es que la teoría cuántica es realmente lógicamente independiente de la segunda ley de la termodinámica. Es decir, puede violar la ley simplemente porque no» sabe «en absoluto», explicó Francesco Buscemi. «Y sin embargo, y esto es igual de notable, cualquier proceso cuántico se puede realizar sin violar la segunda ley de la termodinámica. Esto se puede hacer agregando más sistemas hasta que se restablezca el equilibrio termodinámico». Las implicaciones de este estudio se extienden más allá de la física teórica. Iluminar los límites termodinámicos de los sistemas cuánticos proporciona una base para las innovaciones en la computación cuántica y los motores a nanoescala. A medida que exploramos el ámbito cuántico, esta investigación sirve como un recordatorio del delicado equilibrio entre las leyes fundamentales de la naturaleza y el potencial para avances tecnológicos innovadores.
