Físicos revelan una nueva ley cuántica que desafía la termodinámica: el entrelazamiento ahora es reversible

Uno de los temas más profundos en física contemporánea es el entrelazamiento cuántico, un fenómeno que desafía las intuiciones clásicas y que se ha convertido en recurso esencial para tecnologías emergentes como la computación y la comunicación cuántica. Sin embargo, su manipulación eficiente —y en particular su reversibilidad— ha sido un problema abierto durante décadas.

Ahora, un equipo internacional de investigadores ha formulado lo que puede considerarse una nueva ley fundamental en el ámbito cuántico: una versión cuántica de la segunda ley de la termodinámica, aplicable al entrelazamiento. Según el estudio, publicado en Physical Review Letters, es posible transformar de forma reversible cualquier par de estados entrelazados, siempre que se utilice un sistema auxiliar denominado batería de entrelazamiento. El resultado representa un avance teórico de gran relevancia para el desarrollo de futuras tecnologías cuánticas y reconfigura la base conceptual de cómo entendemos la transformación de recursos en sistemas cuánticos.

¿Qué es el entrelazamiento y por qué importa?

El entrelazamiento cuántico es uno de esos fenómenos que parecen sacados de una novela de ciencia ficción. Dos partículas pueden estar tan profundamente conectadas que lo que le ocurra a una afecta instantáneamente a la otra, sin importar la distancia entre ellas. Esta correlación no puede explicarse por medios clásicos y fue, de hecho, una de las razones por las que Einstein describió la mecánica cuántica como “fantasmagórica”.

Hoy en día, el entrelazamiento no solo es aceptado, sino que es considerado un recurso clave para tecnologías como la computación cuántica, la criptografía y la teleportación cuántica. Sin embargo, su manipulación seguía estando limitada. A diferencia de la energía en la termodinámica clásica, el entrelazamiento no podía transformarse libremente de un estado a otro sin pérdida. Hasta ahora.

Una vieja pregunta con una respuesta nueva

Durante años, los científicos se preguntaron si era posible encontrar una ley cuántica análoga a la segunda ley de la termodinámica, que regula la dirección de los procesos físicos y define el concepto de irreversibilidad. La segunda ley dice, por ejemplo, que no se puede hacer que el calor fluya espontáneamente de un objeto frío a uno caliente.

En el contexto cuántico, el reto era establecer una regla similar que definiera cómo y cuándo pueden transformarse los estados entrelazados. Según el paper original, “una transformación es reversible si y solo si la cantidad de entrelazamiento del estado inicial es mayor o igual que la del estado final”. Esta condición parecía cumplirse únicamente en estados puros, pero fracasaba al intentar aplicarse a estados mixtos, que son los más comunes en la realidad.

La batería cuántica que lo cambia todo

Aquí es donde entra en juego el concepto novedoso de “batería de entrelazamiento”. Este sistema auxiliar permite almacenar y suministrar entrelazamiento sin que se pierda en el proceso. Es una especie de reserva cuántica que garantiza que el balance total del recurso se mantenga.

Los autores explican que su hallazgo principal es que “las transformaciones entre estados de entrelazamiento mixto pueden hacerse reversibles si se emplea una batería de entrelazamiento y se respeta una única condición: que la entropía de entrelazamiento de la batería no disminuya”. Gracias a esto, se abre la posibilidad de realizar conversiones perfectas entre cualquier par de estados entrelazados, siempre y cuando se mantenga intacta esta batería.

Además, el mecanismo es tan potente que permite el diseño de protocolos que, en el límite asintótico, logran que la transformación y su inversa se equilibren perfectamente: “R(ρ → σ) · R(σ → ρ) = 1”, es decir, se puede ir de un estado al otro y regresar sin pérdidas.

Un marco teórico más allá del entrelazamiento

Este avance no se limita al entrelazamiento en pares de partículas. Según los autores, la metodología también puede aplicarse a redes cuánticas más complejas, donde participan múltiples partes. Es más, el principio puede extenderse a otros recursos cuánticos, como la coherencia y la energía libre.

En palabras del equipo, “podemos tener una batería diseñada para preservar la coherencia o la energía libre, y entonces podemos formular un marco reversible en ese escenario”. Esto significa que podríamos diseñar baterías específicas para distintos recursos cuánticos, generalizando el concepto original y creando un nuevo lenguaje común para las teorías cuánticas de recursos.

Este marco unifica diferentes formas de manipulación cuántica en una misma estructura teórica. A través de una batería, se puede medir y controlar el recurso con precisión, asegurando que el sistema evolucione sin pérdidas y de forma reversible.

¿Y por qué esto es importante?

La idea de reversibilidad no es solo elegante desde el punto de vista teórico. Tiene implicaciones prácticas enormes. Poder transformar estados cuánticos sin perder entrelazamiento significa que los futuros computadores cuánticos podrán trabajar de forma mucho más eficiente, sin perder información vital en el camino.

También podría ser clave para el desarrollo de redes cuánticas robustas, capaces de transmitir datos entre múltiples nodos sin degradación. Y si se generaliza a otros recursos como la energía libre, podríamos tener máquinas térmicas cuánticas optimizadas al límite, que funcionen según principios similares a los de Carnot, pero en el mundo cuántico.

Además, este hallazgo permite formular “familias” de segundas leyes cuánticas, cada una asociada a un tipo de recurso distinto. No estamos hablando de una única ley, sino de una estructura entera que podría regular los procesos cuánticos en sus múltiples formas.

Lo que queda por explorar

Aunque el trabajo ya marca un antes y un después, hay preguntas abiertas. ¿Qué tipo de baterías serían físicamente realizables? ¿Cómo se implementaría esto en laboratorios con tecnologías actuales? ¿Es posible optimizar la cantidad de entrelazamiento necesaria en la batería?

Por ahora, los autores reconocen que su modelo es teórico, aunque sólidamente anclado en principios físicos. “Nuestro enfoque ofrece un marco unificado de prueba basado en principios físicos bien establecidos”.

No se trata de una fantasía matemática: la teoría cumple condiciones realistas y respetadas por otras disciplinas, como la termodinámica cuántica. De hecho, este nuevo trabajo complementa y amplía resultados previos que mostraban límites a la reversibilidad, al añadir el ingrediente que antes faltaba: la batería.

Cortesía de Muy Interesante

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