El calor fluye de los objetos calientes a los fríos. Cuando un cuerpo caliente y uno frío están en contacto térmico, intercambian energía térmica hasta alcanzar el equilibrio térmico, con el cuerpo caliente enfriándose y el cuerpo frío calentándose. Este es un fenómeno natural que experimentamos todo el tiempo. Se explica por la segunda ley de la termodinámica, que establece que la entropía total de un sistema aislado siempre tiende a aumentar con el tiempo hasta alcanzar un máximo. La entropía es una medida cuantitativa del desorden en un sistema. Los sistemas aislados evolucionan espontáneamente hacia estados cada vez más desordenados y falta de diferenciación.

Un experimento realizado por investigadores del Centro Brasileño de Investigación en Física (CBPF) y la Universidad Federal de la ABC (UFABC), así como colaboradores de otras instituciones en Brasil y en otros lugares, ha demostrado que las correlaciones cuánticas afectan la forma en que se distribuye la entropía entre las partes en contacto térmico, invertir la dirección de la llamada "flecha termodinámica del tiempo".

En otras palabras, el calor puede fluir espontáneamente de un objeto frío a un objeto caliente sin la necesidad de invertir energía en el proceso, como lo requiere una nevera doméstica. Se acaba de publicar un artículo que describe el experimento con consideraciones teóricas en Comunicaciones de la naturaleza .

El primer autor del artículo, Kaonan Micadei, completó su Ph.D. bajo la supervisión del profesor Roberto Serra y ahora está realizando una investigación postdoctoral en Alemania. Serra, también uno de los autores del artículo, contó con el apoyo de la FAPESP a través del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología en Información Cuántica de Brasil. La FAPESP también otorgó dos becas de investigación vinculadas al proyecto a otro coautor, Gabriel Teixeira Landi, profesor del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (IF-USP).

"Se puede decir que las correlaciones representan información compartida entre diferentes sistemas. En el mundo macroscópico descrito por la física clásica, la adición de energía del exterior puede revertir el flujo de calor en un sistema para que fluya de frío a caliente. Esto es lo que sucede en un refrigerador ordinario, por ejemplo, "Dijo Serra a Agência FAPESP.

"Es posible decir que en nuestro experimento nanoscópico, las correlaciones cuánticas produjeron un efecto análogo al de la energía añadida. La dirección del flujo se invirtió sin violar la segunda ley de la termodinámica. De lo contrario, si tenemos en cuenta elementos de la teoría de la información al describir la transferencia de calor, encontramos una forma generalizada de la segunda ley y demostramos el papel de las correlaciones cuánticas en el proceso ".

El experimento se realizó con una muestra de moléculas de cloroformo (un átomo de hidrógeno, un átomo de carbono y tres átomos de cloro) marcado con un isótopo de carbono 13. La muestra se diluyó en solución y se estudió mediante un espectrómetro de resonancia magnética nuclear, similar a los escáneres de resonancia magnética utilizados en los hospitales, pero con un campo magnético mucho más fuerte.

"Investigamos los cambios de temperatura en los espines de los núcleos de los átomos de hidrógeno y carbono. Los átomos de cloro no tenían ningún papel material en el experimento. Usamos pulsos de radiofrecuencia para colocar el espín de cada núcleo a una temperatura diferente, uno más fresco, otro más cálido. Las diferencias de temperatura eran pequeñas, del orden de decenas de mil millonésimas de 1 Kelvin, pero ahora tenemos técnicas que nos permiten manipular y medir sistemas cuánticos con extrema precisión. En este caso, medimos las fluctuaciones de radiofrecuencia producidas por los núcleos atómicos, "Dijo Serra.

Los investigadores exploraron dos situaciones:en una, los núcleos de hidrógeno y carbono comenzaron el proceso sin correlación, y en el otro, inicialmente estaban correlacionados cuánticamente.

"En el primer caso, con los núcleos no correlacionados, observamos que el calor fluye en la dirección habitual, de caliente a frio, hasta que ambos núcleos estuvieran a la misma temperatura. En el segundo, con los núcleos inicialmente correlacionados, observamos que el calor fluye en la dirección opuesta, de frio a caliente. El efecto duró unas milésimas de segundo, hasta que se consumió la correlación inicial, "Explicó Serra.

El aspecto más destacable de este resultado es que sugiere un proceso de refrigeración cuántica en el que la adición de energía externa (como se hace en refrigeradores y acondicionadores de aire para enfriar un ambiente específico) puede ser reemplazada por correlaciones, es decir., un intercambio de información entre objetos.

Demonio de Maxwell

La idea de que la información se puede utilizar para invertir la dirección del flujo de calor, en otras palabras, para provocar una disminución local de la entropía:surgió en la física clásica a mediados del siglo XIX, mucho antes de que se inventara la teoría de la información.

Fue un experimento mental propuesto en 1867 por James Clerk Maxwell (1831-1879), OMS, entre otras cosas, creó las famosas ecuaciones clásicas del electromagnetismo. En este experimento mental, que desató una acalorada controversia en ese momento, el gran físico escocés dijo que si existiera un ser capaz de conocer la velocidad de cada molécula de un gas y de manipular todas las moléculas a escala microscópica, este ser podría separarlos en dos destinatarios, colocando moléculas más rápidas que el promedio en uno para crear un compartimento caliente y moléculas más lentas que el promedio en el otro para crear un compartimento frío. De esta forma, un gas inicialmente en equilibrio térmico debido a una mezcla de moléculas más rápidas y más lentas evolucionaría a un estado diferenciado con menos entropía.

Maxwell pretendía que el experimento mental probara que la segunda ley de la termodinámica era meramente estadística.

"El ser que propuso, que era capaz de intervenir en el mundo material a escala molecular o atómica, se hizo conocido como "el demonio de Maxwell". Fue una ficción inventada por Maxwell para presentar su punto de vista. Sin embargo, ahora podemos operar a escalas atómicas o incluso más pequeñas, para que se modifiquen las expectativas habituales, "Dijo Serra.

El experimento realizado por Serra y colaboradores y descrito en el artículo recién publicado es una demostración de ello. No reproducía el experimento mental de Maxwell, por supuesto, pero produjo un resultado análogo.

"Cuando hablamos de información, no nos referimos a algo intangible. La información requiere un sustrato físico, un recuerdo. Si desea borrar 1 bit de memoria de una unidad flash, tienes que gastar 10, 000 veces una cantidad mínima de energía que consiste en la constante de Boltzmann multiplicada por la temperatura absoluta. Este mínimo de energía necesaria para borrar información se conoce como principio de Landauer. Esto explica por qué borrar información genera calor. Las baterías de los portátiles se consumen con el calor más que cualquier otra cosa, "Dijo Serra.

Lo que observaron los investigadores fue que la información presente en las correlaciones cuánticas se puede utilizar para realizar un trabajo, en este caso, la transferencia de calor de un objeto más frío a uno más caliente, sin consumir energía externa.

"Podemos cuantificar la correlación de dos sistemas por medio de bits. Las conexiones entre la mecánica cuántica y la teoría de la información están creando lo que se conoce como ciencia de la información cuántica. Desde el punto de vista práctico, el efecto que estudiamos podría algún día usarse para enfriar parte del procesador de una computadora cuántica, "Dijo Serra.