Termodinámica cuántica: Un termómetro para la «cantidad» de una partícula.
Si una partícula tiene o no propiedades físicas cuánticas se puede ver a partir de su comportamiento termodinámico: los sistemas cuánticos pueden transferir calor mucho más rápido.
© Beatrice/Getty Images/iStock (detalles)
¿Cómo saber si las partículas tienen propiedades cuánticas?
Es el principal desafío en la construcción de computadoras cuánticas: las unidades informáticas, llamadas qubits, deben conservar su naturaleza cuántica. Esto significa que los objetos exhiben un comportamiento mecánico cuántico, es decir, a veces son ondas y otras partículas. Pueden adoptar diferentes estados al mismo tiempo o parecer estar inextricablemente unidos a través de largas distancias de una manera casi mágica. Sin embargo, estas propiedades de tipo cuántico son muy frágiles. Una vez que un qubit interactúa con su entorno, pierde sus características especiales y se convierte en un objeto casi aburrido; Ya no hay superposiciones ni entrelazados visibles.
Pero, ¿cómo se determina si una partícula tiene propiedades cuánticas o no? Los físicos dirigidos por Patrick Lipka-Bartosek de la Universidad de Ginebra han descrito ahora un método inusual para ello.. Según sus cálculos, las propiedades físicas cuánticas de un objeto dejan huellas en su comportamiento termodinámico. Por ejemplo, un sistema cuántico puede conducir calor mucho más rápido que un sistema clásico. «Este es un nuevo enfoque para descubrir características cuánticas a través del intercambio de calor durante el proceso termodinámico», escribieron los investigadores en su artículo aún no revisado por pares publicado en agosto de 2024.
Para ello, los físicos examinaron primero un par de partículas entrelazadas y un par de partículas ordinarias. La diferencia entre los dos es que un par entrelazado sólo puede describirse mediante una función de onda conjunta, no mediante dos funciones individuales. Cuando estos dos sistemas entran en contacto con un ambiente más cálido o más frío, se produce un intercambio de calor. Resulta que un sistema cuántico entrelazado puede «generar sorprendentemente flujos de calor que exceden los límites del intercambio de calor clásico», escribieron los expertos. Si un sistema transfiere calor con especial rapidez, tiene propiedades cuánticas.
«Esto podría conducir al desarrollo de un termómetro que no sólo mida la temperatura, sino que también revele información sobre el sistema cuántico».Gerardo Adesso, físico
A continuación, los investigadores estudiaron cómo una segunda propiedad cuántica fundamental de las partículas se hace evidente en los procesos termodinámicos: la llamada coherencia. Esto explica en cierta medida cuán fuerte es el carácter ondulatorio de la partícula. Para ello, Lipka Bartosek y su equipo compararon una partícula cuántica coherente con una partícula apenas coherente, que se comporta como un objeto puntual. También en este caso se observaron diferencias claras en el intercambio de calor: una vez más, la partícula cuántica pudo transferir calor mucho más rápido.
Aunque los investigadores examinaron casos muy específicos, subrayaron que sus métodos son generales y, por tanto, transferibles a otros sistemas más complejos. “Esto podría dar lugar a aplicaciones concretas, como una especie de termómetro inteligente que no sólo mida la temperatura o el calor irradiado, sino que también revele información estructural sobre un sistema cuántico”. El físico Gerardo Adiso de la Universidad de Nottingham, que no participó en el trabajo, dijo a New Scientist:.
arXiv 10.48550/arXiv.2408.06418, 2024
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