Investigadores en China han demostrado que el calor fluye de frío a caliente en un sistema cuántico, lo que podría requerir actualizaciones a la segunda ley de la termodinámica. Usando una molécula como qubits, el equipo manipuló la información cuántica para lograr esta inversión. El hallazgo resalta las diferencias entre la física clásica y la cuántica.
En un estudio publicado en Physical Review Letters, Dawei Lu y sus colegas de la Southern University of Science and Technology en China exploraron la dinámica del calor en el ámbito cuántico. Utilizaron una molécula de ácido crotónico, empleando los núcleos de cuatro átomos de carbono como qubits, las unidades fundamentales de las computadoras cuánticas. Al controlar los estados cuánticos de estos qubits con radiación electromagnética, los investigadores invirtieron la dirección típica del flujo de calor, dirigiéndolo de un qubit más frío a uno más caliente. Esta inversión contradice la segunda ley de la termodinámica, que establece que el calor se mueve naturalmente de objetos calientes a fríos, como se observa en escenarios cotidianos como una taza de café que se enfría. Sin embargo, en sistemas cuánticos, este comportamiento es posible gracias a la 'coherencia', una forma de información cuántica que actúa como fuente de energía. 'Inyectando y controlando esta información cuántica, podemos invertir la dirección del flujo de calor', explicó Lu. El equipo expresó entusiasmo por el resultado. Las leyes de la termodinámica se originaron en el siglo XIX, precediendo a la física cuántica por cerca de un siglo. Para reconciliar la observación, los investigadores introdujeron el concepto de 'temperatura aparente', que incorpora propiedades cuánticas como la coherencia. Bajo esta medida, el calor fluyó de temperaturas aparentes más altas a más bajas, restaurando la consistencia con la segunda ley. Roberto Serra, de la Federal University of ABC en Brasil, comentó que la coherencia funciona como un recurso termodinámico, similar al calor en los motores clásicos. Señaló que la termodinámica tradicional asume que no hay acceso a los estados cuánticos microscópicos, lo que lleva a una violación aparente. 'Esto es solo una violación aparente porque debemos escribir nuevas leyes considerando que tenemos este acceso', dijo Serra. De cara al futuro, el equipo de Lu busca desarrollar protocolos prácticos para gestionar el calor en qubits. Tales avances podrían mejorar la computación cuántica al perfeccionar métodos de enfriamiento, abordando un desafío clave en el campo, donde el exceso de calor limita el rendimiento, al igual que en las computadoras convencionales.