Investigadores de la Universidad de Nagoya en Japón y de la Academia Eslovaca de Ciencias han presentado nuevos hallazgos sobre la relación entre la teoría cuántica y la termodinámica. El equipo ha demostrado que, aunque la teoría cuántica no prohíbe intrínsecamente las violaciones de la segunda ley de la termodinámica, los procesos cuánticos pueden llevarse a cabo sin infringir esta ley fundamental.
Este descubrimiento, publicado en la revista npj Quantum Information, pone de manifiesto una coexistencia armoniosa entre ambos campos, a pesar de su independencia lógica. Los resultados abren nuevas vías para comprender los límites termodinámicos de las tecnologías cuánticas, tales como la computación cuántica y los motores a nanoescala.
La Segunda Ley de la Termodinámica y el Demonio de Maxwell
La segunda ley de la termodinámica establece que la entropía, una medida del desorden en un sistema, nunca disminuye espontáneamente. Además, señala que un motor que opera cíclicamente no puede producir trabajo mecánico extrayendo calor de un único entorno térmico, subrayando así el concepto de un flujo unidireccional del tiempo.
A pesar de su papel fundamental, la segunda ley sigue siendo uno de los principios más debatidos y mal comprendidos en la ciencia. En el centro de este debate se encuentra el paradoja del «Demonio de Maxwell», un experimento mental propuesto por el físico James Clerk 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 diferentes regiones, el demonio podría crear una diferencia de temperatura, extrayendo trabajo mecánico a medida que el sistema regresa a su equilibrio, desafiando aparentemente la segunda ley de la termodinámica.
Durante más de un siglo, esta paradoja ha intrigado a los físicos, planteando interrogantes sobre la universalidad de la ley y si depende del conocimiento y las capacidades del observador. Las soluciones a esta paradoja han girado en torno al tratamiento del demonio como un sistema físico sujeto a las leyes termodinámicas.
Una de las soluciones propuestas consiste en borrar la memoria del demonio, lo que requeriría un gasto de trabajo mecánico, compensando así la violación de la segunda ley. Para explorar 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 instrumentos cuánticos, un marco introducido en las décadas de 1970 y 1980 para describir las formas más generales de medición cuántica.
El modelo consta de tres pasos: el demonio mide un sistema objetivo, luego extrae trabajo de él acoplándolo a un entorno térmico y, finalmente, borra su memoria al interactuar con el mismo entorno. Utilizando este marco, el equipo derivó ecuaciones precisas para el trabajo gastado por el demonio y el trabajo que extrae, expresadas en términos de medidas de información cuántica, como la entropía de von Neumann y la ganancia de información de Groenewold-Ozawa.
Al comparar estas ecuaciones, obtuvieron un resultado sorprendente. «Nuestros resultados mostraron que, bajo ciertas condiciones permitidas por la teoría cuántica, incluso tras tener en cuenta todos los costos, el trabajo extraído puede superar el trabajo gastado, desafiando aparentemente la segunda ley de la termodinámica», explicó Shintaro Minagawa, uno de los investigadores principales del proyecto.
Esta revelación fue tanto emocionante como inesperada, desafiando la suposición de que la teoría cuántica es inherentemente «a prueba de demonios». Existen rincones ocultos en el marco donde el Demonio de Maxwell podría aún hacer su magia. Sin embargo, los investigadores enfatizan que estas lagunas no representan una amenaza para la segunda ley.
«Nuestro trabajo demuestra que, a pesar de estas vulnerabilidades teóricas, es posible diseñar cualquier proceso cuántico de manera que cumpla con la segunda ley», afirmó Hamed Mohammady. «En otras palabras, la teoría cuántica podría potencialmente romper la segunda ley de la termodinámica, pero en realidad no tiene por qué hacerlo. Esto establece una armonía notable entre la mecánica cuántica y la termodinámica: permanecen independientes, pero nunca en conflicto fundamental».
Las implicaciones de este estudio van más allá de la física teórica. Al iluminar los límites termodinámicos de los sistemas cuánticos, se proporciona una base para innovaciones en computación cuántica y motores a nanoescala. Al explorar el reino cuántico, esta investigación sirve como recordatorio del delicado equilibrio entre las leyes fundamentales de la naturaleza y el potencial de avances tecnológicos revolucionarios.
