Un ordenador cuántico hace retroceder la historia una fracción de segundo

Gracias a las características de los ordenadores cuánticos, tan diferentes de los ordenadores tradicionales, un equipo de científicos han logrado revertir el paso del tiempo durante una millonésima de segundo en un sistema microscópico

El curioso caso de Benjamin Button, un cuento de F. Scott Fitzgerald adaptado luego al cine con Brad Pitt de protagonista, cuenta la historia de un hombre que vive al revés: cuando nace es un viejo, pero con los años se va rejuveneciendo hasta a morir cuando es un bebé. No es algo que se acostumbre a ver en la vida real. La pregunta es: ¿por qué no?

A raíz de un experimento que constituye un triunfo tecnológico para los aspirantes a Benjamin Button del mundo virtual, un equipo de físicos cuánticos informaban al principio del año que habían conseguido crear un algoritmo informático capaz de actuar como una especie de fuente de la juventud.

Una victoria escasa
Gracias a la utilización de un ordenador cuántico de IBM, los científicos han logrado revertir una millonésima de segundo el envejecimiento de una partícula elemental simulada. De todos modos, este éxito ha sido como máximo una victoria escasa, porque han hecho falta unas manipulaciones con tan pocas probabilidades de producirse espontáneamente en la naturaleza que, en conjunto, no ha hecho sino reforzar la idea de que estamos irremisiblemente sometidos al paso del tiempo.

La mayoría de nosotros ya vemos que los átomos de un huevo revuelto no se pueden reordenar para volverlos a introducir en la cáscara impoluta de donde han salido. Ahora parece que, en condiciones normales, ni una sola partícula puede retroceder en el tiempo sin ninguna ayuda ni alteraciones meticulosas.

Tal como explica en un correo electrónico el investigador Valerii M. Vinokur, del Argonne National Laboratory de Estados Unidos: “Demostramos que hacer retroceder en el tiempo aunque sea sólo una única partícula cuántica es un trabajo que la naturaleza sola es absolutamente incapaz de hacer“. Vinokur es uno de los cinco aspirantes a “señores del tiempo“, dirigidos por el científico Gordey B. Lesovik, del Instituto de Física y Tecnología de Moscú. “El sistema que comprende dos partículas es aún más irreversible, por no hablar de los huevos -compuestos por miles de millones de partículas- que rompemos para hacer una tortilla“, ironiza.

El tiempo en el mundo cuántico
Sobre el papel, las leyes básicas de la física son reversibles: funcionan matemáticamente tanto si el tiempo va hacia adelante como si retrocede. Pero si el tiempo es sólo otra dimensión del espacio-tiempo, como decía Einstein, es una dimensión extraña que en una sola dirección. En el mundo real, podemos salir del metro y girar a la izquierda o la derecha, pero no tenemos la opción de avanzar o retroceder en el tiempo. Siempre nos estamos dirigiendo hacia el futuro.

Parece que nos encontramos en manos de la segunda ley de la termodinámica, según la cual, en un sistema cerrado como por ejemplo el Universo, el desorden y la complejidad sólo pueden aumentar. Por lo tanto, los átomos de un huevo no se vuelven a juntar ni reordenar nunca. Esto es así, en parte, porque tienen muchísimas más posibilidades de mezclarse que de reordenarse, de tal manera que el huevo vuelva al estado inicial.

Pero la dirección de la flecha del tiempo no depende sólo de las grandes magnitudes. Según la teoría cuántica -este paradójico conjunto de reglas que rigen el universo subatòmic-, ni una sola partícula puede revertir su recorrido a lo largo del tiempo. El principio de incertidumbre, que tiene un papel fundamental en la mecánica cuántica, afirma que, en un momento dado, se puede especificar la ubicación o la velocidad de una partícula subatómica, pero no ambas cosas a la vez. En consecuencia, una partícula -como un electrón o un neutrí- o incluso un sistema formado por varias partículas, se representan por medio de una entidad matemática llamada función de onda. La magnitud de esta función no es un parámetro medible directamente, sino que está relacionado con la probabilidad de encontrar una partícula en una cierta condición o en un lugar determinado.

La función de onda se extiende por el espacio y el tiempo. La ley que describe la evolución, conocida como ecuación de Schrödinger -por físico austriaco Erwin Schrödinger, que la planteó en los años 20 del siglo pasado-, es igualmente válida tanto si el tiempo avanza como si retrocede. Pero conseguir que una función de onda de marcha atrás en el tiempo no es tan sencillo.

Jugar al billar cuántico
Valerii M. Vinokur lo compara con el hecho de enviar una bola de billar en el punto de partida a toda velocidad. Parece fácil: sólo hay que darle un golpecito con el taco. Pero si es una bola cuántica, entra en acción el principio de incertidumbre: se puede saber con qué fuerza hay que dar el golpe a la bola o incluso en qué dirección, pero no ambas cosas a la vez. Como dice Vinokur: “La bola cuántica, por tanto, no volverá nunca al punto de origen a consecuencia del principio de incertidumbre“.

Además, en la mecánica cuántica la bola en realidad es una onda: cuanto se sabe dónde está, se propaga como las ondas de un estanque y evoluciona. Para hacerla retroceder no basta con un golpecito de taco. Hay que invertir las fases de las ondas, convertir las crestas en valles y viceversa, una operación demasiado compleja para que la naturaleza la haga sola, sin ningún tipo de ayuda.

El ordenador cuántico entra en escena
A diferencia de los ordenadores habituales, que procesan una serie de ceros y unos, o bits, los ordenadores cuánticos están hechos con los llamados Qbit o bits cuánticos, cada uno de los cuales puede tomar los valores 0 y 1 al mismo tiempo. Un ordenador cuántico puede hacer, así, miles o millones de cálculos simultáneamente, sólo con la condición de que nadie quiera saber la respuesta hasta el final.

Muchas de las principales empresas tecnológicas -como Google, Microsoft y IBM- compiten para construir estas máquinas, que podrían llegar a resolver problemas que no están al alcance de los ordenadores tradicionales, como por ejemplo descodificar códigos criptográficos que en estos momentos son imposibles de descifrar. Según algunos científicos, la naturaleza misma es un ordenador cuántico, y la principal utilidad de este ordenador será precisamente simular y explorar las paradojas de la rareza cuántica.

Y eso es lo que Lesovik y sus colegas se propusieron como objetivo: intentar que una función de onda retrocede con la ayuda de un ordenador cuántico de IBM al que puede acceder todo el mundo a través de internet. “Todavía no sabemos -afirmaba el equipo de investigadores en el artículo publicado en línea en febrero si la irreversibilidad del tiempo es una ley fundamental de la naturaleza o si, por el contrario, se puede eludir“.

El ordenador de IBM que han usado representa un paso muy pequeño hacia el que los teóricos llaman supremacía cuántica. Sólo tiene 5 Qbit (también hay máquinas de IBM con 16 y 20 Qbit), en comparación con los 72 Qbit del Bristlecone, el ordenador más avanzado de Google. Para hacer las cosas aún más sencillas, el equipo sólo utilizó dos o, a veces, tres de estos Qbit.

Rejuvenecer en cuatro etapas
El experimento para revertir el tiempo fue un proceso con cuatro etapas. Primero, dejaron los Qbit preparados en un estado inicial sencillo que imitaba “un átomo artificial“, explica Vinokur. Además, los Qbit se entrelazaron mediante el que Einstein denominaba una “acción fantasmal a distancia”: lo que le pasaba a un Qbit afectaba instantáneamente las mediciones del otro (o los otros dos, dependiendo de cuántos Qbit estuvieran utilizando ).

A continuación, el equipo apretó los Qbit con toda una serie de pulsos de radiación electromagnética situada en la franja de las microondas, que les hicieron pasar de un estado sencillo a otro más complejo. Después de una millonésima de segundo, los científicos detener esta fase -el llamado programa de evolución – y sometieron los Qbit a otro polvo de microondas para revertir la fase en que se encontraban y prepararlos para volver a la juventud. “Hablando gráficamente, convertimos las anillos concéntricos del estaño en unas anillas preparadas para volver a su origen“, explica Vinokur. Este proceso duró otra millonésima de segundo.

Una vez hecho esto, el equipo volvió a poner en marcha el programa de evolución. Y fue entonces cuando los Qbit volvieron a su disposición originaria, es decir, a su pasado. Efectivamente, se convirtieron en una millonésima de segundo más jóvenes.

El problema de la decoherencia
El algoritmo ha funcionado bien prácticamente siempre. Alcanzó hacer volver los Qbit a la juventud el 85% de las veces cuando el cálculo comprendía dos Qbit, pero sólo la mitad de veces cuando se utilizaban tres Qbit. Los autores han atribuido esta fiabilidad más baja a las imperfecciones del ordenador cuántico y también a la tendencia de los Qbit a perder la sincronía cuando aumentan de número, un proceso que es la dificultad principal al que deben enfrentarse los científicos y que se conoce como decoherencia.

A la larga serán necesarios máquinas con cientos de Qbit para hacer realidad las ambiciones de los matemáticos cuánticos. Cuando ya disponemos de estos ordenadores, el algoritmo para revertir el tiempo podría servir para ponerlos a prueba, tal como señalaba, en un comunicado de prensa del Instituto de Física y Tecnología de Moscú, Andrei V. Lebedev, físico de la universidad ETH Zürich, en Suiza, y autor del artículo.

Mientras esto no se consigue, cualquiera que tenga acceso a un ordenador cuántico puede jugar a hacer de Benjamin Button con la ayuda de este algoritmo. Como dice el doctor Vinokur: “Ahora todo el mundo tiene la posibilidad de rejuvenecer los Qbit“. Por lo menos, se puede jugar a los numerosos mundos del ciberespacio. Pero en la vida real todavía es demasiado complicado para la naturaleza revertir el envejecimiento de una sola partícula. No hay, hoy por hoy, ninguna manera de evitar que nos hacemos viejos mientras nos precipitemos inexorablemente aguas abajo por el río del tiempo.