Investigadores han descubierto que el calor puede actuar como testigo de propiedades cuánticas, desafiando los límites clásicos de la termodinámica. ¿Podría esto revolucionar la computación y la energía cuántica?
Fuente: Midjourney / Eugenio Fdz.
Eugenio M. Fernández Aguilar
Físico, escritor y divulgador científico. Director de Muy Interesante Digital
2.03.2025 | 19:54
La termodinámica ha sido una piedra angular de la física desde el siglo XIX, estableciendo reglas fundamentales sobre el comportamiento del calor y la energía. Sin embargo, un nuevo estudio ha reavivado un viejo debate: ¿pueden las leyes de la termodinámica romperse en el mundo cuántico? Inspirados en el experimento mental del demonio de Maxwell, un equipo de investigadores ha explorado si ciertos sistemas cuánticos pueden desafiar el segundo principio de la termodinámica mediante el uso de memorias cuánticas. Ojo al título, ¿el fin de las reglas de la termodinámica? No te eches las manos a la cabeza, lee todo el artículo.
Este trabajo, publicado en Physical Review Letters y comentado por diversos medios científicos, propone que el flujo de calor puede ser utilizado como una forma de detectar propiedades cuánticas sin necesidad de realizar mediciones invasivas. Si sus conclusiones son correctas, podrían tener implicaciones profundas para la computación cuántica y la tecnología de motores cuánticos. Pero, ¿qué significa esto realmente? Y más importante aún, ¿estamos presenciando una violación de las leyes fundamentales de la física o simplemente una nueva forma de interpretarlas?
El demonio de Maxwell y su dilema
En 1867, el físico escocés James Clerk Maxwell propuso un experimento mental que parecía desafiar la segunda ley de la termodinámica. Imaginó un ser microscópico, más tarde conocido como el demonio de Maxwell, que podía separar partículas de gas caliente y frío sin gastar energía, creando una diferencia de temperatura que podría usarse para generar trabajo sin consumir energía. Esto sugería que el demonio podía reducir la entropía de un sistema sin costo alguno, algo que contradecía la física clásica.
El problema se resolvió con el principio de Landauer, que establece que borrar información requiere energía y genera entropía. En otras palabras, aunque el demonio pueda manipular moléculas, para procesar y almacenar información debe gastar energía, lo que restaura el equilibrio termodinámico. Pero, ¿qué pasa si el demonio no usa memoria clásica, sino memoria cuántica? Ahí es donde entra en juego el nuevo estudio.
Dispositivo con memoria cuántica (M) y ancila térmica (E) que detecta entrelazamiento midiendo el flujo de calor en el sistema S = A₁…Aₙ. Fuente: Physical Review Letters¿Cómo puede la cuántica alterar el flujo de calor?
Los investigadores han demostrado que un sistema cuántico con memoria cuántica puede influir en el flujo de calor de manera diferente a un sistema clásico. En lugar de realizar mediciones directas, el estudio sugiere que se puede detectar el entrelazamiento y otras propiedades cuánticas simplemente observando cómo el calor se transfiere en el sistema.
Según el artículo, "nuestro enfoque ofrece un testigo térmico de propiedades cuánticas sin necesidad de mediciones específicas". Esto significa que, al analizar los patrones de calor intercambiado entre el sistema y su entorno, es posible inferir si un sistema está entrelazado o si contiene coherencia cuántica.
El estudio destaca dos casos de uso clave:Detección de entrelazamiento en sistemas cuánticos
Certificación de coherencia cuántica en sistemas de espines
Ambas aplicaciones sugieren que la interacción entre el sistema y un entorno térmico puede revelar propiedades cuánticas de manera indirecta, sin necesidad de realizar mediciones invasivas que colapsen el estado cuántico.
Enfriamiento cuántico. Un sistema a temperatura α interactúa con un entorno a β, logrando enfriamiento más allá de la termalización estándar mediante memoria cuántica. Fuente: Physical Review LettersImplicaciones para la tecnología cuántica
Si esta técnica se confirma experimentalmente, podría revolucionar la forma en que detectamos y utilizamos las propiedades cuánticas en tecnología. Por ejemplo, los motores cuánticos, dispositivos diseñados para convertir energía en trabajo de manera más eficiente que sus contrapartes clásicas, podrían beneficiarse de esta nueva forma de analizar el flujo de calor.
Además, los investigadores sugieren que esta técnica podría aplicarse en plataformas experimentales ya existentes, como la resonancia magnética nuclear (NMR) y la electrodinámica cuántica en cavidades superconductoras. Estas tecnologías ya han demostrado la capacidad de preservar la coherencia cuántica, por lo que integrar esta nueva metodología podría abrir nuevas posibilidades en la detección y manipulación de información cuántica.
Sin embargo, aún quedan preguntas abiertas. ¿Se puede realmente extraer más trabajo del que se invierte en estos sistemas? Si bien el estudio no afirma que el segundo principio de la termodinámica se haya roto, sí sugiere que ciertos procesos cuánticos pueden operar más allá de los límites clásicos.
Detección de coherencia cuántica mediante intercambio de calor. Dos átomos interactúan en una cavidad óptica que actúa como memoria cuántica. La evolución del sistema revela coherencia cuando Q(t) > 0 y su ausencia cuando Q(t) = 0.. Fuente: Physical Review Letters¿Rompe esto las leyes de la termodinámica?: un “fin” distinto al esperado
A pesar del impacto de estos resultados, los propios autores enfatizan que la termodinámica sigue intacta. En el artículo, explican que lo que han identificado "no implica una violación real del segundo principio, sino que revela ciertas lagunas dentro del marco cuántico".
Lo que ocurre es que los sistemas cuánticos permiten procesos que no tienen equivalentes clásicos. El entrelazamiento y la superposición cuántica crean caminos alternativos para la transferencia de energía, que pueden hacer que el flujo de calor parezca superar los límites tradicionales. Pero al final del proceso, cuando se consideran todos los factores, la termodinámica sigue siendo válida.
Esto significa que, aunque el estudio sugiere que se pueden obtener ventajas energéticas en el mundo cuántico, no se está creando energía de la nada, sino aprovechando mejor los recursos disponibles dentro del marco cuántico.
El título de este artículo puede parecer alarmante: ¿estamos presenciando el fin de las reglas de la termodinámica? La respuesta es un rotundo no. Las leyes fundamentales de la física siguen en pie, pero lo que cambia es nuestra forma de entenderlas y utilizarlas en el contexto cuántico. Sin embargo, si en lugar de “fin” como término de algo pensamos en “fin” como propósito u objetivo, el panorama se vuelve más interesante. Este estudio sugiere que el verdadero propósito de la termodinámica cuántica no es reemplazar las leyes clásicas, sino extenderlas, explorando sus límites en el mundo microscópico. En este sentido, los motores cuánticos y el demonio de Maxwell no marcan el final de la termodinámica, sino el comienzo de una nueva forma de aplicarla.
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Referencias
A. de Oliveira Junior, J. Bohr Brask, P. Lipka-Bartosik. Heat as a Witness of Quantum Properties. Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.050401.
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