La termodinámica es una de las empresas científicas más humanas, según Kater Murch, profesor asociado de física en Artes y Ciencias en la Universidad de Washington en St. Louis.

"Tiene que ver con nuestra fascinación por el fuego y nuestra pereza, ", dijo." ¿Cómo podemos conseguir que el fuego "—o el calor—" trabaje para nosotros? "

Ahora, Murch y sus colegas han llevado la mayor parte de la empresa humana a la escala cuántica intangible, la de las temperaturas ultrabajas y los sistemas microscópicos, y han descubierto que, como en el mundo macroscópico, es posible utilizar información para extraer trabajo.

Hay una trampa, aunque:Es posible que se pierda parte de la información en el proceso.

"Hemos confirmado experimentalmente la conexión entre la información en el caso clásico y el caso cuántico, "Murch dijo, "y estamos viendo este nuevo efecto de pérdida de información".

Los resultados fueron publicados en la edición del 20 de julio de Cartas de revisión física .

El equipo internacional incluyó a Eric Lutz de la Universidad de Stuttgart; J. J. Alonzo de la Universidad de Erlangen-Nuremberg; Alessandro Romito de la Universidad de Lancaster; y Mahdi Naghiloo, asistente de investigación graduado en física de la Universidad de Washington.

Que podemos obtener energía a partir de información a escala macroscópica se ilustró de manera más famosa en un experimento mental conocido como el demonio de Maxwell. El "demonio" preside una caja llena de moléculas. La caja está dividida por la mitad por una pared con una puerta. Si el demonio conoce la velocidad y la dirección de todas las moléculas, puede abrir la puerta cuando una molécula de movimiento rápido se mueve de la mitad izquierda de la caja al lado derecho, permitiendo que pase. Puede hacer lo mismo con las partículas lentas que se mueven en la dirección opuesta, abrir la puerta cuando una molécula de movimiento lento se acerca por la derecha, se dirigió a la izquierda.

Después de un tiempo, todas las moléculas que se mueven rápidamente están en el lado derecho de la caja. Un movimiento más rápido corresponde a una temperatura más alta. De este modo, el demonio ha creado un desequilibrio de temperatura, donde un lado de la caja está más caliente. Ese desequilibrio de temperatura se puede convertir en trabajo:empujar un pistón como en una máquina de vapor, por ejemplo. Al principio, el experimento mental parecía mostrar que era posible crear una diferencia de temperatura sin hacer ningún trabajo, y dado que las diferencias de temperatura te permiten extraer trabajo, se podría construir una máquina de movimiento perpetuo, una violación de la segunda ley de la termodinámica.

"Finalmente, Los científicos se dieron cuenta de que hay algo en la información que tiene el demonio sobre las moléculas, ", Dijo Murch." Tiene una cualidad física como el calor, el trabajo y la energía ".

Su equipo quería saber si sería posible utilizar información para extraer trabajo de esta manera a escala cuántica. también, pero no clasificando moléculas rápidas y lentas. Si una partícula está en un estado excitado, podrían extraer trabajo moviéndolo a un estado fundamental. (Si estaba en un estado fundamental, no harían nada y no gastarían ningún trabajo).

Pero querían saber qué pasaría si las partículas cuánticas estuvieran en un estado excitado y en un estado fundamental al mismo tiempo, análogo a ser rápido y lento al mismo tiempo. En física cuántica, esto se conoce como superposición.

"¿Puede obtener trabajo a partir de información sobre una superposición de estados de energía?" Preguntó Murch. "Eso es lo que queríamos averiguar".

Hay un problema, aunque. En una escala cuántica, obtener información sobre las partículas puede ser un poco ... complicado.

"Cada vez que mide el sistema, cambia ese sistema, "Dijo Murch. Y si midieran la partícula para averiguar exactamente en qué estado estaba, volvería a uno de dos estados:excitado, o tierra.

Este efecto se llama retroacción cuántica. Para evitarlo al mirar el sistema, investigadores (que eran los "demonios") no tardaron mucho, mira detenidamente su partícula. En lugar de, tomaron lo que se llamó una "observación débil". Todavía influyó en el estado de la superposición, pero no lo suficiente como para moverlo hasta un estado excitado o un estado fundamental; todavía estaba en una superposición de estados de energía. Esta observación fue suficiente, aunque, para permitir a los investigadores rastrear con bastante alta precisión, exactamente en qué superposición estaba la partícula, y esto es importante, porque la forma en que se extrae el trabajo de la partícula depende del estado de superposición en el que se encuentre.

Obtener información, incluso utilizando el método de observación débil, los investigadores todavía tenían que echar un vistazo a la partícula, lo que significaba que necesitaban luz. Entonces enviaron algunos fotones, y observó los fotones que regresaron.

"Pero el demonio pierde algunos fotones, "Dijo Murch." Solo recibe alrededor de la mitad. La otra mitad está perdida ". Pero, y esta es la clave, aunque los investigadores no vieron la otra mitad de los fotones, esos fotones todavía interactuaban con el sistema, lo que significa que todavía tenían un efecto sobre él. Los investigadores no tenían forma de saber cuál era ese efecto.

Tomaron una medición débil y obtuvieron algo de información, pero debido a la retroacción cuántica, podrían terminar sabiendo menos de lo que sabían antes de la medición. En el balance, esa es información negativa.

Y eso es raro.

"Siga las reglas de la termodinámica para un macroscópico, ¿El mundo clásico todavía se aplica cuando hablamos de superposición cuántica? ", preguntó Murch." Descubrimos que sí, sostienen, excepto que hay una cosa extraña. La información puede ser negativa.

"Creo que esta investigación destaca lo difícil que es construir una computadora cuántica, "Dijo Murch.

"Para una computadora normal, simplemente se calienta y necesitamos enfriarlo. En la computadora cuántica siempre corre el riesgo de perder información ".