Estos fenómenos se caracterizan teóricamente y se demuestran experimentalmente en una plataforma fotónica, y también pueden surgir bajo estructuras causales definidas
"Hemos recreado experimentalmente tanto el flujo anómalo como el motor en una plataforma fotónica, obteniendo resultados que confirman plenamente nuestras predicciones teóricas"
La imagen visualiza un motor Otto cuántico impulsado por un orden causal indefinido. Corrientes azules provenientes de depósitos fríos se entrelazan en una geometría de interruptor cuántico y fluyen hacia el sistema central de dos niveles, representando una transferencia de calor anómala de lo más frío a lo más caliente. La flecha dorada indica la producción de trabajo útil, mientras que el interferómetro mínimo en la parte inferior evoca el experimento fotónico. Crédito: Rosario Lo Franco.
Ingrid Fadelli , Phys.org
Sciencex.com/27/07/2026
Editado por Sadie Harley , revisado por Robert Egan.
Notas de los editores
La esencia
Un sistema cuántico que interactúa con dos depósitos térmicos bajo un orden causal indefinido exhibe un flujo de calor anómalo, absorbiendo calor de los depósitos más fríos en contra de las predicciones clásicas. Este efecto permite la creación de un motor Otto cuántico que realiza simultáneamente trabajo y refrigeración. Estos fenómenos se caracterizan teóricamente y se demuestran experimentalmente en una plataforma fotónica, y también pueden surgir bajo estructuras causales definidas.
Las leyes de la termodinámica establecen que el calor fluye naturalmente desde los sistemas o regiones más calientes hacia los más fríos hasta alcanzar el equilibrio térmico. Este sencillo principio sustenta el funcionamiento de numerosas tecnologías, desde refrigeradores hasta centrales eléctricas.
Sin embargo, los sistemas cuánticos, regidos por la mecánica cuántica, pueden exhibir comportamientos inusuales que no pueden explicarse mediante la física clásica. Estos comportamientos podrían utilizarse para crear dispositivos térmicos innovadores.
Investigadores de la Universidad Normal de Qufu, la Universidad de Hong Kong y la Universidad de Palermo observaron recientemente un efecto térmico anómalo que permite a un sistema cuántico absorber calor de depósitos térmicos más fríos. Este efecto inusual, descrito en un artículo publicado en Physical Review Letters , se aprovechó para desarrollar un nuevo motor térmico cuántico que produce simultáneamente trabajo (es decir, energía mecánica creada al convertir el calor en movimiento o potencia) y refrigeración.
"El orden causal indefinido (ICO) permite que dos eventos ocurran en una superposición de órdenes", dijo Zhong-Xiao Man, coautor principal del artículo, a Phys.org.
En termodinámica cuántica, estos eventos se modelan como canales de termalización que actúan sobre un sistema mediante un cúbit de control, creando un orden indefinido. Trabajos anteriores demostraron que, incluso con temperaturas de canal idénticas, el sistema no necesariamente alcanza el equilibrio a esa temperatura, una desviación notable de la termodinámica estándar. Motivados por esto, nos preguntamos: ¿Qué sucede con el flujo de calor cuando el sistema y los canales parten de temperaturas diferentes?
Diseñar un motor cuántico con una ventaja inusual
Partiendo de estudios previos, Man y sus colegas se propusieron explorar qué sucede con el calor cuando un sistema cuántico interactúa con dos reservorios térmicos. Esto los llevó a predecir teóricamente y demostrar experimentalmente un flujo inverso anómalo en el que un sistema cuántico absorbe calor de reservorios térmicos más fríos.
Posteriormente, los investigadores diseñaron un nuevo motor Otto cuántico, un dispositivo que convierte el calor en trabajo útil. Sin embargo, a diferencia de los motores Otto convencionales , el dispositivo que desarrollaron puede producir trabajo y enfriar otro sistema simultáneamente.
"Hemos recreado experimentalmente tanto el flujo anómalo como el motor en una plataforma fotónica, obteniendo resultados que confirman plenamente nuestras predicciones teóricas", explicó Man.
"La idea clave de nuestro artículo es que, en el mundo cuántico, dos procesos térmicos pueden ocurrir en una superposición de órdenes diferentes. Esto crea un flujo de calor inusual, que permite al motor extraer energía de un entorno más frío de una manera que no sería posible en la mecánica clásica."
El motor térmico cuántico de reciente desarrollo utiliza el flujo de calor inusual para operar un ciclo Otto cuántico que genera simultáneamente trabajo útil y proporciona refrigeración. Este es un logro notable, ya que habilitar ambas funcionalidades normalmente requeriría dos dispositivos separados y muy diferentes.
"En primer lugar, identificamos una nueva forma de flujo de calor anómalo, lo que demuestra que la coherencia cuántica puede alterar fundamentalmente la forma en que se intercambia calor entre sistemas", dijo Giulio Chiribella, coautor del artículo.
En segundo lugar, proporcionamos una demostración teórica y experimental completa de estos efectos termodinámicos no convencionales en una plataforma fotónica, acercando así un concepto que hasta entonces era principalmente teórico a la realización física. En tercer lugar, aclaramos una cuestión fundamental al demostrar que estos efectos no son características exclusivas de un orden causal indefinido, sino que también pueden reproducirse dentro de una estructura causal definida.
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Posibles aplicaciones y futuras líneas de investigación
En el futuro, el diseño del equipo y el flujo de calor anómalo que reportaron podrían utilizarse para desarrollar otras tecnologías cuánticas prometedoras que manipulen el calor y la energía de maneras completamente nuevas. Si bien el motor presentado en el artículo reciente aún es una prueba de concepto, podría abrir nuevas vías para la refrigeración de procesadores cuánticos y la gestión del calor en sensores cuánticos, tecnologías de imagen o dispositivos a nanoescala.
"Un área para futuras investigaciones consiste en ir más allá de los ciclos termodinámicos idealizados e investigar implementaciones más realistas donde todas las operaciones se produzcan en un tiempo finito", añadió Rosario Lo Franco, coautora principal del artículo.
En los dispositivos prácticos, la velocidad es importante porque determina no solo la eficiencia, sino también la potencia de salida. Estudios teóricos recientes han demostrado que las mediciones y operaciones de control en tiempo finito pueden generar compromisos fundamentales entre el coste energético, la ganancia de información y el rendimiento, y nos gustaría comprender cómo estas limitaciones afectan al tipo de motor propuesto en nuestro trabajo.
Escrito para ti por nuestra autora Ingrid Fadelli , editado por Sadie Harley y revisado por Robert Egan , este artículo es el resultado de un minucioso trabajo humano. Dependemos de lectores como tú para mantener vivo el periodismo científico independiente. Si este tipo de información te interesa, considera hacer una donación (especialmente mensual). Como agradecimiento, recibirás una cuenta sin anuncios .
Detalles de la publicación
Qing-Feng Xue et al., Flujos de calor anómalos y motor Otto cuántico con orden causal (in)definido, Physical Review Letters (2026). DOI: 10.1103/sx1m-pdhz . En arXiv : DOI: 10.48550/arxiv.2511.04028
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Fuente:
