Las partículas de un sistema cuántico pueden rejuvenecerse: “¡Hemos hecho realidad la ciencia ficción!”

Imagine que tiene 40 años o más y quiere acudir a una cita con el estado que tenía hace 20. En el mundo físico clásico es imposible. En el cuántico, el referido a las partículas subatómicas que subyacen en toda realidad, sí lo es. Estas son las conclusiones de un estudio llevado a cabo por los españoles Miguel Navascués y David Trillo, del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica (IQOQI) de la Academia Austriaca de Ciencias (ÖAW), y el grupo de física experimental de la Universidad de Viena del que forma parte el austriaco Philip Walther. Tres investigaciones teóricas, publicadas en Physical Review X, Quantum y Arxiv, una aceptada por Physical Review Letters y aún no divulgada, y otra experimental, recogida en Óptica, prueban que es posible “acelerar, desacelerar e invertir el flujo del tiempo dentro de sistemas cuánticos arbitrarios, incluso no controlados”. Estos singulares procesos físicos, capaces de trastocar el transcurso normal del tiempo, son universales: tienen el mismo efecto sobre todas las partículas, independientemente de su naturaleza y de la forma en que interactúan con otros sistemas.

Todo lo que percibimos responde a unas leyes que aprendemos en el colegio y que, sin embargo, todos los investigadores de física cuántica coinciden en que no explican el mundo subatómico, el que conforma toda realidad en sus niveles más microscópicos. En ese universo imperceptible se dan superposiciones (una partícula puede estar en un estado, en otro o en los dos a la vez), entrelazamientos (la acción sobre una partícula afecta instantáneamente a la otra, incluso si están separadas por grandes distancias), pseudotelepatías o teletransportaciones.

A esta contraintuitiva realidad frente a lo perceptible se une ahora la capacidad de rejuvenecer, de volver a un estado previo, según ha demostrado el equipo austriaco y español. Miguel Navascués recurre a un símil analógico y comprensible para entender el hallazgo y el experimento que lo demuestra: “En el cine [la física clásica], una película se proyecta de principio a fin, independientemente de la voluntad de la audiencia. En casa [en el mundo cuántico], el control remoto nos da el poder de manipular el progreso de la película. Podemos hacer que vuelva a una escena pasada o saltar varias escenas por delante”.

El equipo de la ÖAW ha desarrollado un “protocolo de rebobinado” que permite a una partícula cualquiera (electrón, protón o muon, por ejemplo) volver a un estado previo. Lo demostraron teóricamente, en especial gracias al trabajo de Trillo, que dio con una clave fundamental para resolver el problema, según destaca Navascués, y experimentalmente, sobre un fotón que evoluciona al atravesar un cristal. El uso imaginativo de un dispositivo experimental conocido como “interruptor cuántico” permite que la partícula de luz vuelva al estado que tenía al comienzo de su viaje.

“Fue uno de los experimentos más difíciles que hemos construido para un solo fotón”, afirma Walther. “Lo increíblemente interesante”, añade el físico austriaco, “es que [las partículas] pueden volver a un estado que ni siquiera conoces”, es decir, “se puede ejecutar sin saber del sistema, su dinámica interna o incluso los detalles de la interacción entre el sistema y el experimentador”, explican los investigadores.

El experimento, según comenta Navascués, parte de un planteamiento centenario de la teoría de la relatividad de Einstein: “Un gemelo viaja al espacio a gran velocidad, mientras su hermano permanece en la Tierra. A la vuelta del primero, este habrá envejecido menos que el que se quedó aquí y el navegante afirmará que el viaje en realidad llevó menos tiempo que el medido en la Tierra”. Según explican en una de las investigaciones publicadas, este fenómeno relativista, aunque observable, es “extremadamente poco práctico —se necesitan enormes cantidades de energía o proximidad a un agujero negro para observar efectos significativos— y limitado —se puede usar para desacelerar el flujo del tiempo, pero no para invertirlo o acelerarlo—”.

Pero el equipo del físico español quería demostrar que “estas limitaciones desaparecen cuando se abandona el reino de la física clásica relativista y se entra en el reino de la mecánica cuántica no relativista”.

Y lo han conseguido, según explican los autores de los trabajos: “Presentamos un mecanismo universal que, actuando sobre cualquier cúbit, lo propaga al estado que tenía un determinado tiempo antes de que comenzara el experimento”. A diferencia de los protocolos descubiertos anteriormente por el grupo, que solo funcionan con cierta probabilidad, el nuevo mecanismo tiene éxito siempre, exceptuando el caso de que el dispositivo experimental sea completamente “invisible” para el cúbit. “Respondemos así a la pregunta de si tales procesos están permitidos por las leyes de la mecánica cuántica”, afirman.

¿Se puede trasladar la experiencia a sistemas mayores? El experimento se ha completado con partículas que pueden almacenar un bit de información. Con una persona, en teoría es posible, pero imposible e inútil llevarlo a la práctica. “Si tuviésemos a una persona encerrada en una caja, sin influencia externa alguna, teóricamente sería posible. Pero con los protocolos que tenemos ahora, la probabilidad de éxito sería muy, muy baja. Además, el tiempo que se necesita depende de la cantidad de información que puede almacenar el sistema y una persona, considerada como un sistema físico, contiene una cantidad de información enorme. Habría que esperar millones de años para conseguir que esta persona rejuveneciera menos de un segundo. No tiene sentido”.

El hallazgo no es una máquina del tiempo. Este transcurre igualmente y es el estado el que cambia. “En partículas capaces de almacenar un solo bit de información, la misma cantidad de tiempo que quieres rebobinar el sistema tienes que utilizarla para actuar sobre el mismo”, aclara el físico.

La misma norma rige para el caso del envejecimiento de una partícula, para adelantar el estado, para aplicar el avance rápido a la película. Según explica Navascués, “si quieres que un sistema envejezca diez años, en general vas a tener que esperar diez años. No se puede crear tiempo de la nada: para hacer que un sistema envejezca diez años en, digamos, un año, habría que sacar los nueve años restantes de alguna parte”. Siguiendo esta intuición, los autores del estudio dieron con un truco que permite acelerar el paso del tiempo. “Descubrimos que se puede transferir tiempo de evolución entre sistemas físicos idénticos. En un experimento de un año de duración con diez sistemas, se puede robar un año a cada uno de los primeros nueve sistemas y dárselos todos al décimo. Al cabo del año, el décimo sistema habrá envejecido diez años; los otros nueve seguirán igual que cuando empezó el experimento”.

El hallazgo es importante porque añade una particularidad más al mundo cuántico, de cuya comprensión depende el conocimiento real del universo. Pero Philip Walther cree que también tiene consecuencias prácticas: “Estamos convencidos de que esto también tiene aplicaciones tecnológicas. Un protocolo de rebobinado en procesadores cuánticos, por ejemplo, puede usarse para revertir errores o desarrollos que no se desean”. “Las investigaciones de seguimiento adicionales podrían incluir implementaciones no ópticas del protocolo, así como extensiones a dimensiones más altas”, añaden los investigadores.

Navascués no es tan optimista, y tiene sus dudas sobre la utilidad práctica del descubrimiento. Sin embargo, considera un éxito sin precedentes la investigación realizada. “¡Hemos hecho realidad la ciencia ficción!”, exclama.

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