Somos muy conscientes de la direccionalidad del tiempo. Todo lo que conocemos parece seguir un patrón determinado y todos los acontecimientos tienden a moverse en una trayectoria unidireccional. En otras palabras, se sabe que una vez que se ha producido un determinado acontecimiento, no hay posibilidad de que pueda revertirse. La razón física es sencilla: la flecha del tiempo. En general, la flecha del tiempo apunta en una única dirección hacia adelante y éste es uno de los principales retos sin resolver de los fundamentos de la física, porque los físicos no están seguros de por qué la naturaleza del tiempo es tal.
El tiempo como entidad no puede controlarse ni manipularse. Sin embargo, podemos manipular la evolución de un sistema físico en el tiempo y evaluar su metamorfosis de un estado a otro mediante una observación cuidadosa, al menos en el mundo clásico. En el ámbito cuántico, incluso esto es aparentemente una barrera, ya que un acto de observación modifica las características de un sistema cuántico. Existen incluso pruebas concretas que sugieren que las propiedades cuánticas son contextuales o, en otras palabras, que los valores de los observables físicos asociados a un sistema cuántico sólo existen en el contexto de la medición y no en sentido literal. Este es otro aspecto de los fundamentos de la mecánica cuántica que no se comprende suficientemente bien.
Ahora bien, existen en el ámbito de la mecánica cuántica no relativista ciertos principios o métodos que pueden permitir restablecer un estado cuántico esencialmente incontrolado a un estado anterior por el que ya había pasado el sistema. Estos principios o los llamados protocolos de rebobinado han sido probados, al menos en teoría [1, 2].
a) En el mundo clásico, existe una direccionalidad inequívoca del tiempo, ilustrada aquí a través del proceso de envejecimiento, un proceso que no puede invertirse en la práctica a pesar de su naturaleza determinista. En este artículo, demostramos que estas mismas limitaciones no se aplican en el ámbito cuántico. (b) La unitariedad de la mecánica cuántica garantiza que siempre existe una inversa de una evolución temporal ???? dada, aunque pueda ser desconocida. (c) Dejando que un sistema cuántico objetivo atraviese una región de interacción, se puede realizar una evolución temporal ???? perturbada. (d) Un interruptor cuántico hace que el sistema objetivo evolucione en una superposición de su evolución libre ???? y su evolución perturbada ????. Esta superposición de evoluciones temporales puede utilizarse para «rebobinar» el sistema hacia atrás en el tiempo, sin necesidad de conocer ni ????, ni ????, ni el estado | Ψ ⟩. Imagen y descripción: Optica (2022).
Yendo al fondo del protocolo de rebobinado, uno se daría cuenta de que surge esencialmente de uno de los conceptos fundamentales de la mecánica cuántica y es la naturaleza no conmutativa de los operadores cuánticos. Para ser explícitos, si dos operadores cuánticos son tales que no conmutan, entonces es prácticamente imposible que tengamos un valor preciso de los observables simultáneamente. Otra característica única de estos protocolos es que, incluso si se produce un fallo y el protocolo no cumple su cometido, existe la posibilidad de introducir nuevos protocolos que puedan revocar el fallo y llevar el sistema sin problemas al estado cuántico original.
Hemos hablado del absurdo asociado a la observación de un sistema cuántico. A pesar de este problema de medición inherente al comportamiento mecánico cuántico, utilizando el protocolo de rebobinado los físicos han conseguido revertir la evolución de un sistema cuántico sin conocer sus estados inicial y final asociados [3]. El protocolo ha sido explorado en el laboratorio del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica (IQOQI) de Viena. Esto ha sido posible gracias a la integración del protocolo teórico de rebobinado con un dispositivo óptico de última generación. El sistema cuántico en el que se demostró empíricamente la inversión temporal consistía en un único cuanto de luz o fotón.
Los investigadores implicados en el novedoso trabajo afirman en el artículo original que su método tiene una tasa de éxito muy superior a la de los protocolos existentes en la literatura científica y quizá futuros experimentos puedan mejorar aún más la precisión del método. Además, podrían revelarse nuevos regímenes y sistemas en los que el protocolo podría aplicarse de forma práctica. Uno de los aspectos más peculiares del trabajo es que no es en absoluto necesario que el experimentador conozca a priori la información clave y las restricciones del sistema cuántico en estudio, lo que lleva de forma determinista a la conclusión de que el protocolo no se limita únicamente a los fotones. Dada la realización práctica de la inversión del tiempo para los procesos cuánticos, no sería sorprendente observar que el futuro es bastante brillante para las tecnologías cuánticas.
Referencias
[1] Miguel Navascués, Resetting Uncontrolled Quantum Systems, Physical Review X (2018). DOI: 10.1103/PhysRevX.8.031008
[2] David Trillo, Benjamin Dive, and Miguel Navascues, Translating Uncontrolled Systems in Time, Quantum (2020). DOI: 10.22331/q-2020-12-15-374
[3] P. Schiansky et al, Demonstration of universal time-reversal for qubit processes, Optica (2022). DOI: 10.1364/OPTICA.469109
